CN110377950B - 一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法。本发明的过程为：设计隔流式一体化预制泵站；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方程；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，以泵坑主要几何参数为设计变量，采用响应面法对隔流式一体化预制泵站泵坑进行数值优化，从而确定最佳的隔流式泵坑形状。本发明提出了隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法，为设计防淤积型泵坑提供了理论支撑。

Description

一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法

技术领域

本发明属于流体机械设计领域，特指涉及一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法。

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。

随着一体化预制泵站的广泛运用，隔流堰和预旋盆等结构逐渐被引入隔流式防沉积泵坑的改进设计中，起到控制颗粒运动，防止流体干涉的作用。其中，隔流式预制泵站在小流量生活污水的提升输送中更能发挥性能。文献《无堵塞自清功能一体式预制泵站技术及应用》中介绍：当水位降到预旋转启动水位时，预旋盆能够起到使来水形成预旋转水流，携卷浮渣及池底杂质，抽吸浮渣和沉淀物，避免出现传统泵站因停机水位高造成的杂质沉积和异味气体积聚情况的作用。申请号为201620381967.3的实用新型专利将防干涉隔板安装在泵坑之间，在防干涉隔板上阵列布置透水孔，以减小潜污泵之间的干涉。申请号为201822393316.6的发明专利在预旋盆之间设置隔流堰，采用蜗壳螺旋式预旋盆，极大降低了泵筒内液体的水力冲撞损失。申请号为201520558637.2的实用新型专利设计了一种弧形的预旋进水加速通道，水流自弧形通道进入圆柱形内腔时在内腔中可以形成旋转水流，以此使水流的流速增加。虽然隔流式预制泵站的防沉积性能已经得到证实，但隔流堰和预旋盆的设计参数众多，因此综合考虑多个设计参数继续优化隔流式泵坑以及验证结构优化的有效性还是目前的设计难点。

随着计算流体力学的发展，数值优化被广泛运用在水力机械的结构设计中，但目前还未见基于数值模拟的一体化预制泵站结构优化的相关报道。因此提出适用于隔流式一体化预制泵站泵坑的数值优化方法对防沉积泵坑设计具有极大的指导意义，可以降低设计的试错沉没成本。

发明内容

本发明旨在提供一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法，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隔流式一体化预制泵站泵坑形状。

为达到以上目的，采用如下技术方案：

一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法，包括以下步骤：

(1)设计隔流式一体化预制泵站；

(2)采用大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)方法计算隔流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(Discrete Phase Model)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；

(3)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，建立评价隔流式一体化预制泵站防沉积性能的两项指标的计算方程：颗粒的沉积率DE以及泵坑表面易沉积区域的面积占比AR；

(4)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，以泵坑主要几何参数为设计变量，采用响应面法对隔流式一体化预制泵站泵坑进行数值优化，从而确定最佳的隔流式泵坑形状。

其具体步骤如下：

(1)设计隔流式一体化预制泵站。

在潜污泵之间设置横向隔流堰，以加强单个潜污泵对周围流场的控制。横向隔流堰长度l₁＝0.3～0.35D，横向隔流堰宽度b₁＝0.1～0.15l₁，隔流堰高度h₁＝0.2～0.25H，横向隔流堰中心距L₁＝-0.3～-0.2D。其中D为预制泵站筒体直径，H为进水管高度。

在逆流减速区和回流减速区之间设置径向隔流堰，抵消回流冲击的消耗。径向隔流堰长度l₂＝0.7～0.8D，径向隔流堰宽度b₂＝0.2～0.3l₁，隔流堰高度h₂＝0.2～0.25H。

在泵坑底部设置预旋盆，可以让大部分处在坑底的颗粒收到流体向下拖拽的力，加上自身的重力，可以加速离开坑底到达预旋盆底，并被快速吸走。另外，预旋盆还有降低停机水位的作用；预旋盆直径d₁＝0.3～0.35D，预旋盆圆坑深度t₁＝0.12～0.24H，预旋盆圆角直径d₂＝0.12～0.24H，预旋盆泵坑间距s＝0.4～0.5D，预旋盆中心距L₂＝-0.03～-0.02D。

在堰体设计导流预旋入口，使关阀停机时，运动到径向隔流堰左侧的颗粒可以被吸出。

(2)采用LES方法计算隔流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DPM模型计算一体化预制泵站泵坑表面单颗粒的运动轨迹，并与试验结果进行比较，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。

提取单颗粒试验与模拟运动轨迹过程如下：

提取颗粒形心之前需要先将颗粒与周围背景区分开，首先通过MATLAB生成所拍摄图片的颜色直方图，由于图像上的背景和前景物体颜色分布明显不同，直方图上会出现双峰特性。

在做颗粒运动轨迹试验之前用黄色荧光材料包裹颗粒，所以根据颜色直方图确认颗粒所属黄色的RGB分量范围，根据RGB颜色分量，对图像进行阈值分割。

regionprops()函数是MATLAB软件中用以处理图像，并对其形心进行自动捕捉及自动提取的命令，通过该命令对每组图像进行编号并用MATLAB软件的图像处理编程批量处理提取图像序列中颗粒的形心坐标，将处理后的图像按时间顺序编号命名。

将得到颗粒形心坐标后，利用作图软件将相对运动轨迹作出。

采用GetData Graph Digitizer软件提取模拟运动轨迹的坐标，将试验与模拟的运动轨迹集成在一起进行对比。

(3)建立评价隔流式一体化预制泵站防沉积性能的两项指标的计算公式。

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。

根据隔流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，计算隔流式一体化预制泵站内颗粒的沉积率DE，

根据固液两相流理论中的Govier理论，计算颗粒的沉降速度。

式中：d_s为颗粒的平均直径；ρ_l为流体的密度；ρ_s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u_m，在本发明专利中u_m＝3u_t。

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u_m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A_d和泵坑表面面积A_a，则易沉积区域面积占比计算公式为：

(4)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，以泵坑主要几何参数为设计变量，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。拟合出泵坑主要几何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)设计了一种具有防沉积性能的隔流式泵坑。

(2)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。

(3)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隔流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。

(4)提出了适用于隔流式预制泵站的泵坑结构数值优化方法。

附图说明

图1为一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法的流程图；

图2为潜污泵的位置a和隔流式泵坑的造型b；

图3为潜污泵a和隔流式一体化预制泵站b水体的三维建模；

图4为潜污泵的数值计算与试验外特性曲线；

图5为单颗粒的固相运动轨迹的数值计算与试验结果；

图6为优化前后多颗粒运动轨迹，a为优化前，b为优化后。

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。

实施例：

该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。

(1)设计隔流式泵坑，主要参数为：横向隔流堰长度l₁＝400mm，横向隔流堰宽度b₁＝42mm，横向隔流堰高度h₁＝180mm，横向隔流堰中心距L₁＝-300mm。径向隔流堰长度l₂＝900mm，径向隔流堰宽度b₂＝82mm，径向隔流堰高度h₂＝180mm。预旋盆直径d₁＝400mm，预旋盆圆坑深度t₁＝180mm，预旋盆圆角直径d₂＝80mm，预旋盆泵坑间距s＝500mm，预旋盆中心距L₂＝-30mm，导流管入口高度40mm。潜污泵位置与泵坑造型如图2所示。对潜污泵和一体化预制泵站进行三维建模(图3)，并网格划分。

(2)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4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。

(3)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(-500,100,0)，N₂(-500,0,0)及N₃(-500,-100,0)，图5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，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。

(4)提出评价预制泵站防沉积性能的两项指标：颗粒的沉积率(DE)以及泵坑表面易沉积区域的面积占比(AR)。

(5)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。

(6)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

射入粒子数为2569，逃逸粒子数为1739，则颗粒的沉积率DE为32.3％。

(7)以颗粒的沉积率最小为目标函数，选取预旋盆圆坑深度x₁、预旋盆圆角直径x₂、导流管入口高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如下表所示。

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＝33.20-0.43x₁+1.17x₂+6.53x₃+0.60x₁·x₂+1.8x₁·x₃-0.1₅x₂·x₃+1.70x₁ ²+3.3x₂ ²-0.3x₃ ²

式中：x₁·x₂为预旋盆圆坑深度与预旋盆圆角直径的交互项；x₁·x₃为预旋盆圆坑深度与导流管入口高的交互项；x₂·x₃为圆角直径与导流管入口高的交互项。

通过响应面法，在不改变运行工况的条件下对隔流式预制泵站的不同结构参数进行响应面选优，确定预旋盆圆坑深度为146mm、预旋盆圆角直径为140mm、导流管入口高20mm。对优化后的隔流式泵坑进行数值计算，沉积率DE为25.4％，可以证实优化的有效性。

图6为优化前后的颗粒运动轨迹，对比隔流式预制泵站优化前后颗粒运动轨迹可以发现，优化设计可以有效减少从两侧逃逸至径向隔流堰左侧的颗粒，而且可以增加进水管一侧流场速度，从而避免颗粒运行至壁面后失去速度从而停滞。

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 (4)

1.一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设计隔流式一体化预制泵站；

(2)采用大涡模拟LES方法计算隔流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；

(3)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，建立评价隔流式一体化预制泵站防沉积性能的两项指标的计算方程：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，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)根据隔流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，计算隔流式一体化预制泵站内颗粒的沉积率DE，

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：

式中：d_s为颗粒的平均直径；ρ_l为流体的密度；ρ_s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u_m，u_m＝3u_t；

(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u_m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A_d和泵坑表面面积A_a，则易沉积区域面积占比计算公式为：

(4)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，以泵坑主要几何参数为设计变量，采用响应面法对隔流式一体化预制泵站泵坑进行数值优化，从而确定最佳的隔流式泵坑形状。

2.根据权利要求1所述的一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的设计隔流式一体化预制泵站具体过程如下：

(1)在潜污泵之间设置横向隔流堰，以加强单个潜污泵对周围流场的控制，横向隔流堰长度l₁＝(0.3～0.35)D，横向隔流堰宽度b₁＝(0.1～0.15)l₁，隔流堰高度h₁＝(0.2～0.25)H，横向隔流堰中心距L₁＝(-0.3～-0.2)D，其中D为预制泵站筒体直径，H为进水管高度；

(2)在逆流减速区和回流减速区之间设置径向隔流堰，抵消回流冲击的消耗，径向隔流堰长度l₂＝(0.7～0.8)D，径向隔流堰宽度b₂＝(0.2～0.3)l₁，隔流堰高度h₂＝(0.2～0.25)H；

(3)在泵坑底部设置预旋盆，预旋盆直径d₁＝(0.3～0.35)D，预旋盆圆坑深度t₁＝(0.12～0.24)H，预旋盆圆角直径d₂＝(0.12～0.24)H，预旋盆泵坑间距s＝(0.4～0.5)D，预旋盆中心距L₂＝(-0.03～-0.02)D；

(4)在堰体设计导流预旋入口，使关阀停机时，运动到径向隔流堰左侧的颗粒可以被吸出。

3.根据权利要求1所述的一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法，其特征在于：步骤(2)中，提取单颗粒试验与模拟运动轨迹过程如下：

(1)提取颗粒形心之前需要先将颗粒与周围背景区分开，首先通过MATLAB生成所拍摄图片的颜色直方图，由于图像上的背景和前景物体颜色分布明显不同，直方图上会出现双峰特性；

(2)在做颗粒运动轨迹试验之前用黄色荧光材料包裹颗粒，所以根据颜色直方图确认颗粒所属黄色的RGB分量范围，根据RGB颜色分量，对图像进行阈值分割；

(3)regionprops()函数是MATLAB软件中用以处理图像，并对其形心进行自动捕捉及自动提取的命令，通过该命令对每组图像进行编号并用MATLAB软件的图像处理编程批量处理提取图像序列中颗粒的形心坐标，将处理后的图像按时间顺序编号命名；

(4)将得到颗粒形心坐标后，采用作图软件将相对运动轨迹作出；

(5)采用GetData Graph Digitizer软件提取模拟运动轨迹的坐标，将试验与模拟的运动轨迹集成在一起进行对比。

4.根据权利要求1所述的一种隔流式一体化预制泵站泵坑数值优化方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的采用响应面法对隔流式一体化预制泵站泵坑进行数值优化的过程如下：

(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，以泵坑主要几何参数为设计变量，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，拟合出泵坑主要几何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。

Images