船坞排水泵站进水系统水力特性研究

论文摘要

船坞排水泵站作为修、造船厂的重要附属设施,提高其运行水力特性有重要的现实意义。本文研究以某拟建船坞泵站为工程背景,以大型计算流体力学软件(FLUENT)为平台,运用三维紊流模拟技术,辅以实验观测,按照先部分后整体逐步深入的研究思路,对涉及影响泵站水力性能的进水系统进行研究。典型船坞排水泵站的进水系统,包括前池、流道、喇叭管等过流部件。本文主要对涵箱式双向进水流道进行了数值模拟。在原设计方案的基础上,对不同流量下进水流道的流态进行了分析;利用流速分布均匀度和加权平均角度这两个目标函数对流道高度、宽度以及喇叭口悬空高度等基本尺寸进行优化计算,并提出改进措施;为了消除喇叭口下方的附底涡,采用了加横向隔涡板的方案,运用目标函数对隔涡板的高度进行了优化模拟,数值计算及模型试验均显示横向隔涡板是一种有效的消涡、防涡方法。船坞排水泵站的前池是衔接船坞和流道的建筑物,其主要作用是为进水流道提供良好的进水流态。有别于一般前池的进水方式,船坞泵站前池是周向进水,为了与实际方式接近,本文采用了半圆柱面的进水方式进行了数值模拟。分析了中、底水位,带格栅与不带格栅等运行工况下前池内部的流态,并用流速均匀度目标函数对前池出口断面进行了定量分析。为了排空船坞内的水,船坞排水泵站在运行过程中要开启不同台数的机组。本文运用数值模拟,对进水系统进行了整体模拟;对较低水位、不同开机组合工况进行流场分析。为了进一步研究船坞排水泵站进水系统的内部流态,并对部分计算结果进行对比分析,进行模型试验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 船坞排水泵站进水系统的特点
• 1.2 泵站进水系统水力特性与整流防涡技术研究进展
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 模型试验研究
• 1.2.3 数值模拟研究
• 1.2.4 泵站前池流态研究
• 1.2.5 进水流道流态研究
• 1.3 本文的主要研究内容和技术路线
• 第二章 紊流模型理论与数值计算方法
• 2.1 紊流模型理论概述
• 2.2 紊流数值模拟方法简介
• 2.2.1 直接数值模拟（DNS）
• 2.2.2 大涡模拟（LES）
• 2.2.3 雷诺时均方程法（RANS）
• 2.3 数值离散方法
• 2.3.1 有限差分法
• 2.3.2 有限单元法
• 2.3.3 有限体积法
• 2.3.4 边界元法
• 2.3.5 有限分析法
• 2.4 数学模型和计算方法
• 2.4.1 基本方程
• 2.4.2 紊流模型
• 2.4.3 控制方程组
• 2.5 流场的离散化
• 2.5.1 空间区域的离散化
• 2.5.2 控制方程的离散化
• 2.6 边壁处理
• 2.7 自由表面
• 2.8 流场数值计算
• 2.8.1 耦合式解法
• 2.8.2 分离式解法
• 第三章 进水流道水力优化数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 涵箱式进水流道主要参数
• 3.3 数值计算方法与边界条件
• 3.3.1 RNG k- ε模型
• 3.3.2 网格剖分
• 3.3.3 边界条件
• 3.4 数值模拟计算方案
• 3.5 优化目标函数
• 3.6 计算结果与分析
• 3.6.1 基本流态分析
• 3.6.2 流道内的漩涡
• 3.6.3 不良流态产生的原因
• 3.6.4 不同流量下的流态
• 3.6.5 流道几何参数及横向隔板对目标函数的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 船坞泵站进水前池内部流动特性数值研究
• 4.1 计算区域选取及网格划分
• 4.2 前池计算工况及边界处理
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 无格栅、水深7.0m 工况计算结果及分析
• 4.3.2 无格栅、水深1.0m 工况计算结果及分析
• 4.3.3 有格栅、水深7.0m 工况计算结果及分析
• 4.3.4 有格栅、水深1.0m 工况计算结果及分析
• 4.3.5 各工况前池出口流速分布均匀度比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 船坞泵站进水系统组合运行数值模拟研究
• 5.1 计算区域和网格剖分
• 5.2 计算方案与边界条件
• 5.3 模拟结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 船坞排水泵站进水系统水力模型试验
• 6.1 工程概况
• 6.2 模型设计及测试方法
• 6.2.1 相似准则及模型参数
• 6.2.2 测试方法
• 6.3 模型系统布置
• 6.4 试验结果及分析
• 6.4.1 流道内流态和流速分布
• 6.4.2 进水池及流道进口流态
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢