后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究

论文摘要

灯泡贯流泵装置具有进、出水水流平顺流畅、水力损失小,过流能力大,装置效率高等特点,特别适用于南水北调东线泵站工程,具有较大的应用价值和发展潜力。但是,目前大型灯泡贯流泵机组在国内外的应用还很少,仅有一些装置性能方面的认识,专门针对灯泡式贯流泵站进出水流道的研究几乎没有。而流道作为大中型泵站的重要组成部分,直接影响着泵站的装置性能和安全可靠运行。因此,对灯泡贯流泵装置进出水流道的流态优化进行分析研究,对减少流道内水力损失,提高装置效率有着重要的指导价值。随着CFD理论技术和计算机软硬件技术的发展,数值模拟方法在水泵装置研究方面得到了越来越广泛的应用。本文在这种背景下,采用三维湍流数值模拟的方法研究灯泡贯流泵装置进出水流道流态的优化。本文以某后置灯泡贯流泵站为例,使用GAMBIT软件完成了模型泵装置的三维实体造型和非结构化网恪的剖分,采用局部加密技术对实体进行了较高精度和较高质量的网格剖分。基于FLUENT软件在两种不同k-ε湍流模型基础上对后置灯泡贯流泵装置内部三维湍流流场进行了数值模拟。数值模拟结果和模型试验结果比较后,得出了较适合本例的RNGk-ε湍流模型,从而说明本文所采用的数学模型是合适的。通过数值模拟计算,获得了灯泡贯流泵装置及进出水流道的流场:进水流道内水流顺直;出水流道内有较大范围的脱流和漩涡,主要受导叶出口环量和灯泡体的影响,其中导叶出口环量的影响比较明显。并对出水流道中的特殊结构——灯泡体段进行了详细的分析,同时对灯泡贯流泵装置各部分的水力损失进行了计算,结果表明出水流道灯泡体段水流很不均匀,灯泡体支撑和尾部区域都存在着漩涡和偏流,该段是水力损失最严重的地方。再针对出水流道灯泡体段的具体特点,拟定了流态优化的具体方案。通过三维数值模拟,以各方案的水力损失,装置扬程和装置效率为目标函数,详细分析了灯泡体段支撑型线和灯泡体尾部型线对出水流道流态和装置性能的影响,最后得出了能够较大程度提高装置效率的优化方案。数值计算的结果表明,过流部件的流线型越好,水流所受的阻力越小,泵装置效率就越高。本文研究成果为实际工程中提高后置灯泡贯流泵装置的效率提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 灯泡贯流泵装置进出水流道流态研究的目的和意义
• 1.2 灯泡贯流泵装置的研究现状和发展
• 1.2.1 灯泡式贯流泵站的发展概况和特点
• 1.2.2 进出水流道的研究概况
• 1.3 计算流体力学（CFD）发展概况
• 1.3.1 FLUENT软件简介
• 1.4 本文的研究内容与目标
• 第二章 灯泡贯流泵装置三维湍流数学模型和计算方法
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 数值计算的基本方程
• 2.1.2 湍流数值模拟方法
• 2.2 边界条件
• 2.2.1 进口边界条件
• 2.2.2 出口边界条件
• 2.2.3 壁面边界条件
• 2.2.4 流体条件
• 2.3 计算流场的离散化
• 2.3.1 网格的生成
• 2.3.2 控制方程的离散化
• 2.4 SMIPLE算法
• 2.5 本章小结
• 第三章 灯泡贯流泵装置三维流场的数值模拟
• 3.1 计算区域的选择
• 3.2 几何造型和网格剖分
• 3.2.1 灯泡贯流泵装置的几何造型
• 3.2.2 网格的剖分
• 3.3 计算参数及边界条件设置
• 3.3.1 计算参数
• 3.3.2 边界条件设置
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 贯流泵性能预测模型
• 3.4.2 紊流模型的选择
• 3.5 灯泡贯流泵装置内部流场分析
• 3.5.1 灯泡贯流泵装置流场分析
• 3.5.2 导叶出口环量对出水流道流场的影响分析
• 3.5.3 叶片表面静压分析
• 3.5.4 灯泡体段水力损失分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 灯泡贯流泵装置出水流道灯泡体段流态优化研究
• 4.1 单个下支撑方案的数值模拟比较分析
• 4.2 流线型支撑型线的数值模拟比较分析
• 4.3 改灯泡体尾部形状的数值模拟比较分析
• 4.4 灯泡体段型线最优方案的数值模拟比较分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢