CN110362868B - 一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法 - Google Patents

一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110362868B
CN110362868B CN201910507602.9A CN201910507602A CN110362868B CN 110362868 B CN110362868 B CN 110362868B CN 201910507602 A CN201910507602 A CN 201910507602A CN 110362868 B CN110362868 B CN 110362868B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pump
particles
pump station
integrated prefabricated
area
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910507602.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110362868A (zh
Inventor
王凯
夏瑞超
张子旭
刘厚林
罗光钊
谈明高
王勇
董亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu University
Original Assignee
Jiangsu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University filed Critical Jiangsu University
Priority to CN201910507602.9A priority Critical patent/CN110362868B/zh
Publication of CN110362868A publication Critical patent/CN110362868A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110362868B publication Critical patent/CN110362868B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Abstract

本发明公开了一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法。本发明的过程为：采用LES计算一体化预制泵站中潜污泵的内部流场，并与试验验证；基于DPM计算一体化预制泵站内固相运动轨迹，并与试验结果进行比较；建立颗粒的沉积率以及泵坑表面易沉积区域的面积占比的计算模型；以颗粒的沉积率最小、或泵坑表面易沉积区域的面积占比最小、或颗粒的沉积率和泵坑表面易沉积区域的面积占比均最小为目标函数，以潜水泵安装参数为设计变量，采用响应面法确定最佳潜污泵位置。本发明提出了一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置确定方法，为圆筒式预制泵站防沉积设计提供了理论支撑。

Description

一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法
技术领域
本发明属于流体机械设计领域，特指涉及一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置确定方法。
背景技术
一体化预制泵站是一种集潜污泵、泵站设备、除污格栅设备、控制系统及远程监控系统集成的一体化的产品。其特点为机动灵活，建设周期极短，安装简便，可以实现无人值守，远程监控的功能，适合应用在城市污水处理中。不过由于预制泵站高度集成化和自动化的特点，人工清理周期通常以月计，泥沙和杂物一旦沉积，很长时间内将得不到有效清理，这会极大影响预制泵站内部的流态，缩小有效容积，从而减小排污输水的效率。
圆筒式预制泵站由于结构简单、潜污泵安装方便且土建工程造价低，因此广泛运用在农村和城镇污水处理和给排水管网搭建中，是目前应用最广的一体化预制泵站。
在圆筒式预制泵站中，潜水泵安装位置是影响泵站沉积特性的关键因素，因此需要对潜水泵安装位置进行选优，以使预制泵站的防沉积性能达到最佳。
迄今为止，尚未见圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置确定方法的公开报道。
发明内容
本发明旨在提供一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置确定方法，通过采用固液两流计算、试验测量、图像处理技术和优化技术来确定最佳的潜水泵位置，为达到以上目的，采用如下技术方案：
本发明公开了一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置确定方法。
(1)采用大涡模拟(Large Eddy Simulation，LES)方法计算圆筒式一体化预制泵站中潜污泵的内部流场，并与试验结果进行比较，以验证液相流动计算模型；
基于离散相模型(Discrete Phase Model，DPM)计算一体化预制泵站泵坑表面单颗粒的运动，进行高速摄影试验拍摄粒子运动，提取单颗粒模拟与试验运动轨迹，并进行对比，验证DPM模型在一体化预制泵站固液两相模拟计算上的适用性和准确性；
(2)基于验证所得LES方法、DPM离散相设置进行固液两相流计算，根据预制泵站内流场的数值模拟结果和DPM模型的迭代结果，建立评价圆筒式一体化预制泵站防沉积性能的两项指标的计算模型：颗粒的沉积率DE以及泵坑表面易沉积区域的面积占比AR；
(3)以颗粒的沉积率最小、或泵坑表面易沉积区域的面积占比最小、或颗粒的沉积率和泵坑表面易沉积区域的面积占比均最小为目标函数，以潜水泵安装参数为设计变量，采用响应面法对圆筒式一体化预制泵站潜水泵安装位置进行选优，从而确定最佳的潜污泵位置。
其具体步骤如下：
(1)采用LES方法计算圆筒式一体化预制泵站中潜污泵的内部流场，并与试验结果进行比较，以验证液相流动计算模型；
由于从进水管进入的单颗粒的运动范围较大，难以控制准确的初始位置和速度，因此不能通过可视化试验获得完整的运动轨迹。因此选择分布在泵坑表面不同位置、初始速度为0m/s的颗粒进行计算，并与试验结果进行对比，以验证DPM模型在一体化预制泵站固液两相模拟计算上的准确性。
(2)建立评价圆筒式一体化预制泵站防沉积性能的两项指标的计算模型。
为了准确判断颗粒是否处于沉积状态，将长度标尺设置为10mm，最大计算步数设置为10000，即允许颗粒运动最大为100m的路程；若颗粒在一体化预制泵站筒体内运动100m还不能逃逸出筒体，则认定颗粒处于悬浮或在漩涡中打转的状态。
根据圆筒式一体化预制泵站的计算结果，得出射入的粒子数N1、从出口处流出的粒子数N2、以及剩余的粒子沉积或悬浮在筒体内的粒子N3，计算圆筒式一体化预制泵站内颗粒的沉积率DE，
Figure BDA0002092341940000021
根据固液两相流理论中的Govier理论，计算颗粒的沉降速度。
Figure BDA0002092341940000022
式中：ds为颗粒的平均直径；ρl为流体的密度；ρs为固体颗粒的密度。
计算能带动颗粒运动的临界流体速度，即混合流体流速um，在本发明专利中um＝3ut。
通过混合流体速度将泵坑表面的流速云图进行二元化处理，流体速度小于um的区域即为易沉积区域。通过MATLAB图像处理函数rgb2gray和im2bw，将二元流速分布图进行二值化，并通过size、length和find函数计算易沉积面积，通过imdistline函数对泵坑表面进行标定，最终得到易沉积区域的实际面积Ad和泵坑表面面积Aa，则易沉积区域面积占比计算公式为：
Figure BDA0002092341940000023
(3)以颗粒的沉积率最小、或泵坑表面易沉积区域的面积占比最小、或颗粒的沉积率和泵坑表面易沉积区域的面积占比均最小为目标函数，以潜水泵安装参数为设计变量，在设定的范围内按照Box-Behnken试验设计方法建立试验设计表。
根据所建立的试验方案进行试验得出相应的目标响应值。拟合出潜水泵安装参数与沉积率的响应面二阶回归模型，并采用方差分析对回归方程进行显著性检验。当模型的Prob(P)>F值小于0.05时，说明模型显著性强，在回归区域内拟合情况良好。
若回归模型的显著性满足要求，则获得较优的结构参数值域；若不符合要求，则重新进行循环迭代。
本发明的优点在于：
(1)提出评价一体化预制泵站防沉积性能的两项指标：颗粒的沉积率以及泵坑表面易沉积区域的面积占比。
(2)采用固液两流计算、试验测量和图像处理技术相结合的方法来计算圆筒式一体化预制泵站内颗粒的沉积率以及泵坑表面易沉积区域的面积占比，为研制防淤积型一体化预制泵站提供了理论依据。
(3)提出了适用于圆筒式预制泵站的最佳潜污泵位置确定方法。
附图说明
图1为一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置确定方法的流程图；
图2为潜污泵a和一体化预制泵站b的三维建模；
图3为潜污泵的数值计算与试验外特性曲线；
图4为单颗粒的固相运动轨迹的数值计算与试验结果；
图5为优化前后多颗粒运动轨迹，a-优化前，b-优化后。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
该圆筒式一体化预制泵站的主要参数为：筒体直径为1200mm，进水管直径为100mm，进水管高度为820mm，运行液位为1200mm，泵站设计流量为84m3/h，采用潜污泵2台，单泵设计流量为42m3/h、扬程为10m、转速为1480r/min。
潜水泵安装位置初步确定为：悬空高为82mm，泵间距为600mm，中心距为0mm。
(1)对潜污泵和一体化预制泵站进行三维建模(图2)，并网格划分。
采用LES方法计算一体化预制泵站中潜污泵的内部流场，并与试验结果进行比较，以验证液相流动计算模型。图3给出了该潜污泵的数值计算与试验外特性曲线。从图中可以看出，各个工况下扬程的计算结果和试验结果之间的误差均小于5％。所以，该潜污泵的数值计算方法是可行的。
基于DPM模型计算一体化预制泵站内单颗粒运动轨迹，并与单颗粒试验结果进行比较，以验证DPM模型的准确性。分别对泵坑表面三个位置的颗粒进行试验和数值计算，三个颗粒位置分别为N1(500，0，0)、N2(500，100，0)和N3(500，-100，0)，图4给出了一体化预制泵站内单颗粒运动轨迹的数值计算与试验结果。从图中可以看出：由于两台泵的运转方向一致，所以颗粒的运动轨迹并不完全对称，但单颗粒运动的试验与模拟的结果大致相似，可以证明DPM模型在预制泵站固液两相模拟上的适用性。
(2)建立评价预制泵站防沉积性能的两项指标的计算模型：颗粒的沉积率(DE)以及泵坑表面易沉积区域的面积占比(AR)。
(3)忽略壁面对固体颗粒的粘着力，只考虑颗粒由于碰撞与运动导致失速的情况下造成的沉积。基于LES和DPM模型，采用刚盖假定方法或VOF方法对一体化预制泵站内固液两相流动进行数值计算。
(4)为了准确判断颗粒是否处于沉积状态，将长度标尺设置为10mm，最大计算步数设置为10000，即允许颗粒运动最大为100m的路程；若颗粒在一体化预制泵站筒体内运动100m还不能逃逸出筒体，则认定颗粒处于悬浮或在漩涡中打转的状态。
根据计算结果可得出射入的粒子数N1、从出口处流出的粒子数N2、以及剩余的粒子沉积或悬浮在筒体内的粒子N3，并计算出一体化预制泵站内颗粒的沉积率
Figure BDA0002092341940000041
射入粒子数为2342，逃逸粒子数为532，则颗粒的沉积率DE为77.3％。
(5)以颗粒的沉积率最小为目标函数，选取潜水泵悬空高x1、泵间距x2、中心距x3作为试验设计变量为设计变量，在设定的范围内按照Box-Behnken试验设计方法建立试验设计方案，并进行数值计算。响应面试验设计方案及沉积率计算结果下表所示。
Figure BDA0002092341940000042
Figure BDA0002092341940000051
采用响应面法拟合得到的沉积率基于实际因子水平的回归方程为：
DE＝75.30+10.19x1+7.05x2-2.09x3-0.27x1·x2+2.25x1·x3-0.075x2·x3-2.40x1 2-1.83x2 2+10.65x3 2
式中：x1·x2为潜污泵悬空高与泵间距的交互项；x1·x3为潜污泵悬空高与中心距的交互项；x2·x3为潜污泵泵间距与中心距的交互项。
通过响应面法，在不改变流量和颗粒参数情况下对圆筒式预制泵站中潜水泵安装位置进行响应面选优，确定潜污泵悬空高为82mm、泵间距为500mm、中心距为-30mm。
对优化后的圆筒式预制泵站进行数值计算，沉积率DE为52.6％。
图5为优化前后的颗粒运动轨迹，对比优化前后的颗粒轨迹，可以发现，在优化后方案中，泵间颗粒大多数都能被吸入潜污泵中，通过潜污泵的颗粒数目明显增多，这一点从出水管处也可以很轻易地发现，证明了响应面优化的有效性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用大涡模拟LES方法计算圆筒式一体化预制泵站中潜污泵的内部流场，并与试验结果进行比较，以验证液相流动计算模型；
基于离散相模型DPM计算一体化预制泵站泵坑表面单颗粒的运动，进行高速摄影试验拍摄粒子运动，提取单颗粒模拟与试验运动轨迹，并进行对比，验证DPM模型在一体化预制泵站固液两相模拟计算上的适用性和准确性；
(2)基于验证所得LES方法、DPM离散相设置进行固液两相流计算，根据预制泵站内流场的数值模拟结果和DPM模型的迭代结果，建立评价圆筒式一体化预制泵站防沉积性能的两项指标的计算模型：颗粒的沉积率DE以及泵坑表面易沉积区域的面积占比AR；
其中，所述颗粒的沉积率计算过程如下：
(A1)为了准确判断颗粒是否处于沉积状态，将长度标尺设置为10mm，最大计算步数设置为10000，即允许颗粒运动最大为100m的路程；若颗粒在一体化预制泵站筒体内运动100m还不能逃逸出筒体，则认定颗粒处于悬浮或在漩涡中打转的状态；
(A2)根据圆筒式一体化预制泵站的计算结果，得出射入的粒子数N1、从出口处流出的粒子数N2、以及剩余的粒子沉积或悬浮在筒体内的粒子N3，计算圆筒式一体化预制泵站内颗粒的沉积率DE，
Figure FDA0003934459750000011
其中，所述泵坑表面易沉积区域的面积占比计算过程如下：
(B1)根据固液两相流理论中的Govier理论，计算颗粒的沉降速度：
Figure FDA0003934459750000012
式中：ds为颗粒的平均直径；ρl为流体的密度；ρs为固体颗粒的密度；
(B2)计算能带动颗粒运动的临界流体速度，即混合流体流速um，um＝3ut；
(B3)通过混合流体速度将泵坑表面的流速云图进行二元化处理，流体速度小于um的区域即为易沉积区域，通过MATLAB图像处理函数rgb2gray和im2bw，将二元流速分布图进行二值化，并通过size、length和find函数计算易沉积面积，通过imdistline函数对泵坑表面进行标定，最终得到易沉积区域的实际面积Ad和泵坑表面面积Aa，则易沉积区域面积占比计算公式为：
Figure FDA0003934459750000013
(3)以颗粒的沉积率最小、或泵坑表面易沉积区域的面积占比最小、或颗粒的沉积率和泵坑表面易沉积区域的面积占比均最小为目标函数，以潜水泵安装参数为设计变量，采用响应面法对圆筒式一体化预制泵站潜水泵安装位置进行选优，从而确定最佳的潜污泵位置。
2.根据权利要求1所述的一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法，其特征在于：步骤(1)中，选择分布在泵坑表面不同位置、初始速度为0m/s的颗粒进行计算，并与试验结果进行对比，以验证DPM模型在一体化预制泵站固液两相模拟计算上的准确性。
3.根据权利要求1所述的一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的采用响应面法对圆筒式一体化预制泵站潜水泵安装位置进行选优的过程如下：
(1)以颗粒的沉积率最小、或泵坑表面易沉积区域的面积占比最小、或颗粒的沉积率和泵坑表面易沉积区域的面积占比均最小为目标函数，以潜水泵安装参数为设计变量，在设定的范围内按照Box-Behnken试验设计方法建立试验设计表；
(2)根据所建立的试验方案进行试验得出相应的目标响应值，拟合出潜水泵安装参数与沉积率的响应面二阶回归模型，并采用方差分析对回归方程进行显著性检验；
(3)若回归模型的显著性满足要求，则获得较优的结构参数值域；若不符合要求，则重新进行循环迭代。
CN201910507602.9A 2019-06-12 2019-06-12 一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法 Active CN110362868B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910507602.9A CN110362868B (zh) 2019-06-12 2019-06-12 一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910507602.9A CN110362868B (zh) 2019-06-12 2019-06-12 一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110362868A CN110362868A (zh) 2019-10-22
CN110362868B true CN110362868B (zh) 2023-02-17

Family

ID=68216203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910507602.9A Active CN110362868B (zh) 2019-06-12 2019-06-12 一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110362868B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104657595A (zh) * 2015-01-23 2015-05-27 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种单颗粒曳力模型系数标定方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013119665A1 (en) * 2012-02-08 2013-08-15 Aspen Technology, Inc. Apparatus and methods for non-invasive closed loop step testing using a tunable trade-off factor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104657595A (zh) * 2015-01-23 2015-05-27 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种单颗粒曳力模型系数标定方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Flow Features of a Prefabricated Pumping Station Operating under High Flow Rate Conditions;Qing Li 等;《International Journal of Fluid Machinery and Systems》;20180630;第11卷(第2期);第171页-第180页 *
不同运行方式对一体化预制泵站流动特性和筒体强度的影响;张子旭 等;《中国农村水利水电》;20190430;第162页-第167页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110362868A (zh) 2019-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110705171A (zh) 一种基于mike模型的感潮河网水环境治理方法
CN109725366A (zh) 雨水堵塞点的定位方法及系统
CN113673179A (zh) 一种长距离泥浆管道输送动态模型及应用
CN204645236U (zh) 一种具备污染清除功能的雨水调蓄池
CN116816654B (zh) 一种混凝土输送泵智能控制系统
CN110362868B (zh) 一种圆筒式一体化预制泵站中最佳潜污泵位置的确定方法
CN108716213A (zh) 一种适用于多沙渠道的量水装置、方法及清淤方法
CN207436226U (zh) 喷射式搅拌装置及包括其的雨水调蓄池
CN104727436B (zh) 用于清除雨水调蓄池中悬浮颗粒物的斜板装置及其应用
CN102874907B (zh) 一种高浊度河水的原位净化系统及处理河水的方法
CN110263404B (zh) 一种基于dpm模型的一体化预制泵站沉积特性的计算方法
Dettmar et al. Modelling of flushing waves for optimising cleaning operations
CN111008357B (zh) 一种污水管道中泥沙平均淤堵高度的确定方法
CN110377950B (zh) 一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法
CN204676677U (zh) 防淤堵式倒虹吸污水管道系统
CN110984061A (zh) 一种基于小型灌渠测流系统的自动泥沙清除方法
CN207633475U (zh) 曝气集成装置及雨水调蓄池
CN203140375U (zh) 一种高强度湍流清洗装置
CN205247752U (zh) 一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置
CN104563277B (zh) 一种用于排水网管的折叠门式冲洗设备
CN107761819B (zh) 一种lng取水泵站不停机条件下防淤减淤装置及运行方法
CN207159980U (zh) 地下水排水系统排气掏砂冲天管装置
CN209243863U (zh) 与自然水体连通的泵站的治理系统
Li et al. Parameter identification, verification and simulation of the CSD transport process
CN204826174U (zh) 一种用于清除雨水调蓄池中悬浮颗粒物的斜板装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant