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低扬程立式泵进水流道基本流态及水力性能的比较

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第5卷第5期 南水北调与水利科技 South_to_North Water Transfers and Water Science Technology Vol_5 No.5 0ct 2007 2007年1O月 低扬程立式泵进水流道基本流态及水力性能的比较 陆林广,陈阿萍,黄金军,刘 军,徐(扬州大学水利科学与工程学院,扬州,225009) 磊 摘要:采用数值计算和模型试验的方法分别研究了低扬程立式泵装置常用的肘形、钟形和簸箕形等三种形式进水流道 的基本流态,给出了表达这三种形式进水流道水力性能的主要指标。结果表明:三种形式进水流道都可为水泵叶轮室 进口提供良好的进水流态,但流道水力损失差别较大;肘形进水流道流态简单、水力损失小,钟形和簸箕形进水流道的 流态较复杂、水力损失较大;对于年运行时数较多的大型泵站,宜优先选用水力性能最好的肘形进水流道。 关键词:低扬程;立式泵;进水流道;基本流态;水力性能;比较 中图分类号:TV136。。・2 文献标识码:A 文章编号:1672—1683(2007)05—0135—04 Comparison of Basic Flow Pattern and Hydraulic Performance in Suction Boxes of Low Lift Verrical Axial-Flow Pumps I U I in guang.CHEN A ping,HUANG Jin-jun,LIU Jun,XU I.ei (College o Hydraulic Science&Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China) Abstract:Basic flow patterns in 3 types of suction boxes are studied respectively by both numerical calculation and model test,and the essential hydraulic indexes are listed.The boxes,including elbow inlet,bell—like inlet and dustpamlike inlet,are usually applied for vertical pump of low head.The results make it clear that all of them can offer favorable flow pattern to the impeller-inlet ̄the flow pattern in the elbow inlet is simpler and its hydraulic loss is lower,the flow patterns in the belblike and dustpan-like inlet are more complex and their hydraulic Loss is larger.Conse quently,elbow inlet,with the best hydraulic performance,should be preferentially chosen for a large pump station with long runtime. Key words:low lift;vertical axial flow pump suction box basic flow pattern ̄hydraulic perfommnce comparison 1问题的提出 对于立式泵来讲,进水流道的主要作用是使水流平稳、有 序地转向和加速,为水泵叶轮室进口断面提供符合水泵叶轮 水力设计所要求的进水流态。理想的进水流态,是确保水泵 能在泵装置中工作在良好状态、获得最佳能量性能和汽蚀性 能的必要条件c。。。j。这个条件对于低扬程泵站尤为重要。 于流道内的流态。在选择进水流道的形式时,有必要对不同形 式进水流道的基本流态及水力性能的差别进行较为准确的评 价。为此,本文采用数值模拟和模型试验相结合的方法,对3 种形式进水流道的基本流态及水力性能进行了分析比较。 2立式泵装置进水流道水力性能的研究方法 对进水流道水力性能的评价一般可采用数值计算和模型 试验两种方法。20世纪80年代以来,水泵装置的概念已被普 遍认同。近20多年来,水泵装置模型试验是研究进水流道、出 水流道及整个泵装置水力性能的主要方法。近10多年来,商 用CFD流动计算软件迅速发展,借助于CFD软件进行进、出 水流道及水泵装置三维流动的数值模拟计算,已逐步得到工程 应用[3]。在低扬程的情况下,进水流道的水力损失是影响水泵 装置效率的一个重要因素。研究和比较进水流道的水力性能, 必须考虑流道的水力损失。从实际应用的情况看,采用数值计 算方法研究进水流道的水力损失目前还不够准确,数值计算的 与低扬程 式泵配套使用的进水流道一般有肘形、钟形 和簸箕形等3种形式。肘形进水流道在国内应用最为广泛, 在前苏联、日本等国也有较多应用。钟形进水流道在国内有 一些应用,在日本的应用较多。簸箕形进水流道在国内应用 大型低扬程象站进水流道的水力设计应满足下列几方面 较少,在荷兰等欧洲国家应用较多。 的要求:(1)在水泵的各种工况下,进水流道内无旋涡、涡带等 不良流态;(2)进水流道出口断面处流速尽可能分布均匀、流 向尽可能垂直于出口断面;(3)进水流道的水力损失尽可能 小;(4)进水流道的长度、高度和宽度等控制尺寸取值合理。 流态是进水流道最基本的属性,进水流道的水力性能决定 收稿日期:2006 10 06 修回日期:2007—07 25 理论和方法仍有待于进一步成熟、软件有待于进一步完善。因 此,流道水力损失数值计算的结果,无论是单独流道计算结果 作者简介:陆林广(1947),男.教授,博士生导师,主要从事大型泵站水泵装置优化水力设计方面的研究。 i程擞 .135. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5卷总第32期・南水北调与水利科技・2007年第5期 还是水泵装置计算结果,都必须经过模型试验的验证。本文分 别采用了数值计算与模型试验两种方法研究低扬程立式泵进 水流道的水力性能,数值计算的方法用于计算流道的流态及目 标函数l4],模型试验的方法则用于测试流道的水力损失。 在水泵装置模型试验中测试进水流道的水力性能应是最 为理想的。然而,采用水泵装置模型试验的方法测试进水流 道的水力损失却遇到了困难。因为水力损失的测试需要测试 进水流道进、出口断面的静压,在水泵装置中如何设置取压断 面是个关键问题。取压断面应设在渐变流处,这是应用水力 学恒定总流能量方程的基本条件之一 i。进水流道进口的取 图2钟形进水流道透视图 压断面设在进水池内,是完全满足要求的。进水流道出口的 取压断面应设在进水流道的出口,但这里的水流刚刚经过 90。转向,且位于水泵叶轮室进口,难以满足“渐变流”的条件, 结果导致该断面的静压测试不准确。 科学研究的目的总是力图避免使简单的问题复杂化。进 水流道内的流态受叶轮转动的影响很有限,专门设计的试验 表明,在额定工况下,水泵叶轮转动所引起的环量对水泵叶轮 室前的流场没有可测出的影响 j。为解决进水流道水力损失 的测试问题,一种将进水流道从水泵装置中分解出来研究的 方法被提出,从而将进水流道水力损失的测试转化为简单的 水力学问题l7 ]。本文即采用了这种方法对不同形式的进水 流道模型进行水力损失的测试。 3进水流道三维流动数值模拟 3.1计算方案 某泵站设计流量为Q一31.5 /s,水泵叶轮直径为 Do一3 In。本文针对该站进行了肘形、钟形和簸箕形3种形 式进水流道的水力优化设计研究。这3种形式进水流道的控 制尺寸分别取用了具有各自典型意义的尺寸(表1)。图1至 图3所示分别为3种形式进水流道的透视图。可以看到;肘 形进水流道体型的变化流畅,钟形和簸箕形进水流道则是由 吸水箱和喇叭管两部分组成;肘形进水流道几何形体的特点 是高度较大、宽度较小,钟彤进水流道几何形体的特点足高度 较小、宽度较大,簸箕形进水流道的高度和宽度则介于肘形和 钟形进水流道之间。 表1 3种形式进水流道的控制尺寸 图1肘形进水流道透视图 ・136・工程技术 图3簸箕形进水流道透视图 3.2三维流动数值模拟的数学模型 近十几年来,计算流体动力学(CFD)的理论及技术发展 迅速,许多用于求解三维雷诺平均N—S方程和多种——紊 流模型方程组的专用软件应运而生。这些软件已被大量地用 于模拟水轮机尾水管、蜗壳、叶轮内和整个装置内的流动,进 行水力机械的性能预测和优化设计。本文对进水流道三维流 动的数值模拟采用_『目前国内外应用最为广泛的FI UENT 软件。 3.2.1控制方程进水流道内部流场数值模拟的控制方程 包括连续性方程、动量方程及模型中的方程和方程,对此,已 有很多文献作了介绍【 “ ,本文不再赘述。 3.2.2边界条件(1)进口边界。本项研究计算流场的进 口设置在进水池中距进水流道进口足够远处,在这里可认为 来流速度在整个断面上均匀分布,计算流量可作为已知条件, 故而进口边界采用速度进口边界条件。 (2)出口边界。为了准确地应厢出口边界条件,将计算流 场从进水流道出口的圆环断面沿水流方向等直径延长,将计 算流场的出口设在距流道出口5倍圆管直径处,出口断面为 一垂直于水流方向的圆形断面。这里的流动是充分发展的, 可采用自由出流边界条件。 (3)固壁边界。前池底部、进水流道边壁及水泵叶轮室进 口的导流帽边壁等处均为固壁,其边界条件按固壁定律处理。 固壁边界条件的处理中对所有固壁处的节点应用了无滑移条 件,而对紧靠固壁处节点的紊流特性,则应用了所谓对数式固 壁函数处理之 。 (4)自由表面。进水池的表面为自由水面,若忽略水面风 引起的切应力及与大气层的热交换,则自由面对速度和紊动 能均可视为对称平面处理 “ 。 维普资讯 http://www.cqvip.com

陆林广等・低扬程立式泵进水流道基本流态及水力性能的比较 4进水流道三维流动数值模拟的结果 4.1肘形进水流道的三维流场 根据肘形进水流道三维流场数值模拟结果得到的目标函 数列于表2,流道上中下三个曲面剖面和流道表面的流场图 示于图4。由流场图可以看到,在流道直线段内,流态平顺, 四周进入喇叭管是钟形进水流道流态的重要特征。由于具有 这样的特征,为使水泵叶轮室进口得到比较均匀的进水流场 在设计流道时就应使从不同方向进入喇叭管的水量尽可能地 接近。为达到这一目的,需要合理地确定流道宽度、后壁距、 悬空高及喇叭管直径等。 在第二阶段,水流在喇叭管内急剧收缩、流速迅速增加, 同时流场分布得到较快的调整。喇叭管对水流进入水泵叶轮 室之前的流场调整具有明显效果,因此,喇叭管的尺寸及形状 流速逐渐增大;进人流道弯曲段后,水流迅速转向和加速,靠 近内壁处水流的流速明显大于外壁处的流速,由于水流在作 907转向的同时,伴随着急剧的侧向收缩,故此处并未产生脱 流;在流道圆锥段内,由于惯性力的强烈作用,较大的水流速 的合理设计具有重要意义。 从图5(d)可以看到,钟形进水流道后部侧壁存在旋涡运 度开始出现在流道外侧壁附近,经过圆锥段的短距离调整,在 接近流道出口处,水流趋向于均匀分布和垂直于出口断面。 (a)I.中下3个曲向剂面的流场 (b)流道表面流场图 图4肘形进水流道流场图 4.2钟形进水流道的三维流场 根据钟形进水流道三维流场数值模拟结果得到的目标函 数列于表2,流道主要断面和流道表面的流场图示于图5。由 流场图可以看到,钟形进水流道内的流动明显分为两个阶段: 第一阶段是水流在吸水箱内的汇集阶段,第二阶段是水流在 喇叭管内的整流阶段。 表2 3种形式进水流道水力性能的主要参数 (a)纵剖面流场网 (b)横剖面流场图 (r)水平剖面流场图 (d)流道表面流场瞬 图5钟形进水流道流场图 在第一阶段,一部分水流从喇叭管前部直接进入喇叭管 外,还有一部分水流绕至流道的侧、后部进入喇叭管。水流从 动。在达到一定强度的条件下,这种旋涡可能导致附壁涡带 的产生。对此,应予以特别的注意。 4.3簸箕形进水流道的三维流场 根据簸箕形进水流道三维流场数值模拟结果得到的目标 函数列于表2,流道主要断面和流道表面的流场图示于图6。 簸箕形进水流道的基本流动形态与钟形进水流道大体相同, 也分为在吸水箱内的汇集阶段和在喇叭管内的整流阶段。为 了得到理想的进水流态,需要合理确定流道吸水箱的高度、宽 度、后壁距及喇叭管的形状。 (a)纵剖面流场图 (b)横剖面流场图 (c)水平剖面流场图 (d)漉遭表面流场图 图6簸箕形进水流道流场图 从图6(d)可以看到,簸箕形进水流道尾部的底面存在较 小、较弱的旋涡运动,但它不会导致附壁涡带的产生。 5进水流道模型试验的结果 采用文献l_7 介绍的方法分别对肘形、钟形和簸箕形进水 流道进行了流道模型试验研究。在模型试验中观察到的这3 种形式进水流道内的基本流态与数值模拟结果完全一致,3 种形式进水流道设计流量时的水力损失测试结果见表2。 6进水流道水力性能的比较 进水流道的基本流态分为两种类型:肘形进水流道的流 态属于“单面进水”,钟形和簸箕形进水流道的流态则属于“四 面进水”_】 。在单向进水的流道内,水流的转向运动流态简 单,不仅未发生旋涡,而且水力损失较小。四面进水流道的几 何体型都是由吸水箱和喇叭管两部分组成,都是利用具有较 低高度、较大宽度和适当后壁距的吸水箱迫使水流从四面进 入喇叭管,同时在此过程中完成转向9O。的任务。吸水箱内的 工程技术 ・137・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5卷总第32期・南水北调与水利科技・2007年第5期 流态较为复杂,不同方向、不同流速水流之问的搓动,易“搓” 出旋涡。钟形进水流道的后壁空问比簸箕形进水流道大很 多,流态最为复杂,不仅易导致涡带等有害流态,而且增加了 水力损失。 [2]谢伟东,汤方平,汤正军,等.南水北凋东线工程用泵水力模型设 计与选型EJ3.水泵技术,2005,(2):卜4. [3]王福军.计算流体动力学分析cFD软件原理与应用[M].北 京:清华大学出版社,2004.113—143. [4]陆林广,张仁田.泵站进水流道优化水力设计[M].北京:中国水 利水电出版社,l997.18一l9. 鉴于肘形和钟形进水流道在水力性能方面存在的差距, 国家标准《泵站设计规范》(GB/T 50265—97)推荐大型泵站 [5]吴持恭.水力学(上册,第二版)[M].北京:高等教育出版社, 1982.98—99。175—179. 立式泵机组采用肘形进水流道,如当受地基条件限制不宜深 挖方时,可采用钟形进水流道l_13]。 [6] 汤方平,袁家博.轴流泵站进出水流道水力损失的试验研究 [J].排灌机械,1995,(3):13—14. [7]陆林广,冷豫,吴开平,等.泵站进水流道内部流态模型试验方 法研究[J].排灌机械,2005,(3):17—19. 7结论 (1)只要设计得当,肘形、钟形和簸箕形等3种形式的进 水流道都可为水泵叶轮室进口提供良好的进水流态; (2)肘形进水流道流态简单、水力损失小,钟形和簸箕形 进水流道的流态较复杂、水力损失较大; E8]陆林广,祝婕,冷豫,等.泵站进水流道模型水力损失的测试 [J].排灌机械,2005,(4):14—17. [9]金忠青.N—s方程的数值解及紊流模型EM].南京:河海大学 出版社,I988.11—66. [1O]马福喜,王金瑞.三维水流数值模拟rJ].水利学报,1996,(8): 39—44. (3)对于年运行时数较多的大型泵站,宜优先选用水力性 能最好的肘形进水流道。 参考文献: [1]陆林广,刘成云.进水流道对轴流泵装置水力性能的影响[J].水 泵技术,1997(3):25~26. L11]Rodi W.Turbulence Models and Their Application in Hydrau— lics Experimental and Mathematical Huid Dynamics.Delft: IAHR Section on Fundamentals of Division II,1980.44—46 [12]陆林广,刘成云.泵站进水流道的两种基本流态[J].水泵技术, 1997(4):25—28. [13]G13/T 50265--97,泵站设计规范[S]. (上接第53页) 3.3湿地科普文化展示 除在参与区廊道、亭台处设置展牌介绍湿地知识外,在崇 重要措施之一,当前我国湿地公园建设还是一个比较新的事 物,研究水平很不一致,也多集中在南方及沿海发达城市,全 西湿地公园的设计过程中,结合崇西分区乃至崇明岛的历史 特色,课题组构思了崇明源展示馆,展示世界上最大河口冲积 岛的形成、演变过程和古老、悠远且独具特色的水文化(崇明 岛的水利、水运、水产发展史等内容),突出湿地在促淤成岛过 程中的重要作用。展示馆将具有科普教育、生态示范、水文化 国湿地类型多样,各地自然条件差异显著,决定了湿地公园建 设过程中的复杂性和多样性,在规划建设中也没有固定的模 式,必须因地制宜,根据当地的气候、水文、水质、地质等条件, 并结合区域的经济、文化背景进行规划建设。随着社会对湿 地公园需求的增加,更需要加强研究,进一步提高和完善湿地 公园的设计建设水平。 致谢: 展示等主要功能,并体现崇明人民争取生存和发展空问的勇 敢和智慧,提升湿地公园的内涵和品位。 4讨论 特别感谢华东师范大学河口海岸国家重点实险室陆健健教授对 本文提出宝贵意见。 崇西湿地公园建设是崇明岛域规划,建设生态型现代化 的具体体现,与崇明岛作为生态旅游和生态农业区域的长期 规划相一致,在湿地公园设计建设过程中,以人类干扰现状和 参考文献: [1] 国家林业局《湿地公约》履约办公室.湿地公约履约指南[M].北 京:中国林业出版社,2001.77—8O. [2]陈克林.湿地公园建设管理问题的探讨[J].湿地科学,2005,3 (4):298—301. 生态系统功能发挥为主要依据,完成对公园区域的功能区划。 在设计改造过程中充分体现了生态优先和以人为本,以植被、 鱼类和底栖动物为主的生物改造措施是生态建设的主要内 [3]陆健健,何文珊,童春富,等.湿地生态学[M].北京:高等教育 出版社,2006.216—225. 容。在旅游区内则着重体现了游客参与和体验的生态旅游原 则,在生物改造基础上,重点加设了亭台、栈道等基础设施建 设。在建设过程中,课题组还开展了对公园建设和湿地认识 的问卷调查,加强公众参与意识。华东师范大学、上海大学等 大专院校都计划以崇西湿地公园为教学和科研的基地,每年 [4]黄成才,杨芳.湿地公园规划设计的探讨口].中南林业调查规 划,2004,23(3):26—29. [5]林锐芳.香港湿地公园规划理念[J].湿地科学与管理,2006,2 (2):51-54. 将邀请全国各地及各个行业的志愿者来此参与公园建设、管 理和研究,举办湿地相关知识的讲座和培训班,充分发挥湿地 公园的科研价值。 [6]梅晓阳,秦启宪,铃木美湖.崇明东国际湿地公园规划设计[J]. 中国园林,2005,2:28—31. [7]黄成才.南京秦淮河湿地公园规划设计的探讨[J].中南林业调 查规划,2004,23(4):18—22. 开展湿地公园的规划建设是湿地资源保护与合理利用的 ・Es]张修峰,何文珊.介绍一种以产氧量为指标的旅游区环境容量测 算方法[J].生态旅游,2004,sl:206—207. 138・ 工程技术 

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