泵站水流运动特性及水力性能数值模拟研究

论文摘要

泵站作为耗能大户,提高其运行水力性能具有重要现实意义。本文研究以南水北调东线工程泵站建设和大型泵站更新改造为背景,运用三维紊流模拟技术辅依实验等研究手段,基于大型计算流体力学软件Fluent为平台,对涉及影响泵站水力性能的过流结构进行全面系统的研究,揭示泵站内部流动特性、预测水力性能,提出设计目标。 基于紊流数值模拟,全面系统地研究了泵站进水池、进水流道、出水流道及整体泵装置内部流动规律和水力性能。通过与已有实验成果比较表明计算结果是可信的,今后采用本文研究方法与实验研究相结合,可充实补充实验数据,甚至减少实验工作量。 提出了从外特性和内特性两方面进行泵站进水池优化的目标函数。采用重整化群紊流模型对泵站进水池进行数值模拟研究,获得了三维基本流态,分析了泵站进水池设计参数对水力性能及流态的影响,在分析吸水管内断面流速分布基础上,推荐了水泵名义高度的取值。 建立在对立式泵装置喇叭管进水流道流场进行数值分析的基础上,提出了喇叭管进水流道演化理论。数值分析了肘形进水流道三维流动,提出叶轮名义高度控制参数。 依据泵站出水流道的水力设计基本要求,建立了出水流道水力性能优化目标数学模型。依据优化目标,进行双向泵站出水室优选和出水流道内部流动特性分析,结合泵站改造,提出了双向泵装置的出水流道设计控制参数。 采用多参考系模型,通过对三种不同形式的整体泵装置的计算,获得了内部三维流动特性,预测了水力性能,分析了特征工况与内流场的联系。泵装置计算结果与实验结果吻合较好,表明本文的三维流场计算和性能预测达到了工程应用研究的精度。在分析已有水力损失方法的基础上,提出了新的低扬程轴流泵装置水力损失计算方法。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 泵站研究现状及进展
• 1.2.1 泵站前池和进水池研究
• 1.2.2 泵站进、出水流道研究
• 1.2.3 低扬程泵站水泵叶轮研究
• 1.2.4 泵装置整体数值模拟和水力性能预测研究
• 1.3 本文的研究思路和内容
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 泵站开敞式进水池流动机理与水力性能
• 2.1 引言
• 2.2 开敞式进水池主要参数
• 2.3 数值计算方法与边界条件
• 2.3.1 重整化群（Renormalization Group，RNG）κ-ε紊流模型
• 2.3.2 非结构化网格剖分
• 2.3.3 离散插值格式
• 2.3.4 控制容积有限元法及数值离散
• 2.3.5 压力修正算法
• 2.3.6 边界条件
• 2.4 数值模拟方案
• 2.5 水力性能优化目标
• 2.6 计算结果分析
• 2.6.1 进水池计算流态分析
• 2.6.2 进水池几何参数对水力性能的影响
• 2.6.3 开敞式进水池水泵叶轮位置
• 2.7 PIV实验验证
• 2.7.1 实验装置
• 2.7.2 3D-PIV测量系统
• 2.7.3 3D-PIV测量区域
• 2.7.4 数值计算结果与3D-PIV测量结果比较
• 2.8 讨论
• 2.9 本章小结
• 第三章 立式泵站进水流道演化理论与水力性能
• 3.1 引言
• 3.2 立式喇叭管进水流道演化理论
• 3.3 喇叭管进水流道流动特性
• 3.3.1 数值方法
• 3.3.2 计算区域及参数
• 3.3.3 计算结果及分析
• 3.4 肘形进水流道流动特性与水力性能
• 3.4.1 肘形进水流道流动基本特性
• 3.4.2 不同流量下肘形进水流道流动及水力性能
• 3.4.3 肘形进水流道叶轮名义高度
• 3.4.4 讨论
• 3.4.5 工程应用研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 立式双向泵站出水流道流动特性与水力性能
• 4.1 引言
• 4.2 双向泵站出水流道内部流动特性与水力性能
• 4.2.1 出水流道水力性能优化目标
• 4.2.2 出水室形式优选
• 4.2.3 带曲线型出水室的双向出水流道流动特性
• 4.3 本章小结
• 第五章 低扬程泵装置内部流动与水力性能预测
• 5.1 引言
• 5.2 数值计算方法
• 5.2.1 紊流模型及离散格式
• 5.2.2 动静交界面模型
• 5.2.3 考虑壁面粗糙度的壁面函数
• 5.3 贯流泵装置内部流动与水力性能
• 5.3.1 贯流泵装置形式及计算区域
• 5.3.2 计算参数及边界条件
• 5.3.3 流动计算结果与分析
• 5.3.4 水力性能预测及实验验证
• 5.4 对称翼型叶轮双向泵装置内部流动与水力性能
• 5.4.1 计算区域及边界条件
• 5.4.2 计算结果及分析
• 5.4.3 整体泵装置水力性能
• 5.5 低扬程立式泵装置内部流动与水力性能
• 5.5.1 水泵水力模型选型
• 5.5.2 泵装置形式
• 5.5.3 计算参数及计算区域
• 5.5.4 计算流态
• 5.5.5 整体泵装置水力性能
• 5.6 整体泵装置流态与外特性的关系
• 5.7 低扬程轴流泵装置水力损失分析
• 5.7.1 叶轮及导叶内水力损失
• 5.7.2 进水流道水力损失
• 5.7.3 出水流道水力损失
• 5.8 基于整体泵装置计算的流道优化水力设计算例
• 5.8.1 工程概况
• 5.8.2 水力优化目标
• 5.8.3 计算参数及边界条件
• 5.8.4 计算方案
• 5.8.5 进、出水流道流态及优化水力计算结果
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 总结和结论
• 6.2 有待进一步研究的问题和展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和获奖成果
• 参考文献