泵站出水流道基本流态分析.docx

泵站出水流道基本流态分析摘要：为了改进泵站出水流道的水力设计方法采用三维紊流数值模拟的方法模拟了虹吸式、直管式和斜式三种型式出水流道内的流动形态；发现出水流道平面方向上的扩散情况较好而立面方向在出口断面附近则不同程度地存在着旋涡该旋涡对流道出口断面的流速分布有很明显的影响；提出在流道设计时应最大限度地利用流道宽度方向的扩散以免出口断面的有效面积过多地被旋涡挤占。关键词：泵站出水流道流态近十几年来我国对水泵装置作了大量的研究工作特别是对低扬程轴流泵水力模型和进水流道优化水力设计的研究已取得很多进展有许多成果已经在泵站工程中得到成功的应用。由于种种原因人们对进水流道内的流态比较注意、比较了解而对出水流道内的流态则缺乏较为深入的了解。在过去相当长的一段时期内只做过一些关于出水流道水力损失方面的试验研究。出水流道是水泵装置的一个重要组成部分对水泵装置的性能有非常明显的影响。出水流道的水力设计至今仍建立在传统的一维流动理论的基础上这种理论与出水流道实际的三维流动情况出入很大。近些年来人们对出水流道在水泵装置尤其是在低扬程水泵装置中的作用已经有了愈来愈清楚的认识提出了重视研究出水流道水力设计理论和方法的要求。1997年9月1日颁布实施的国家标准《泵站设计规范》所规定：“出水流道布置对泵站的装置效率影响很大因此流道的型线变化应比较均匀”[1]。流道的外特性是由其内特性决定的对流道内特性的认识应是更为本质的认识。本文采用三维紊流数值模拟的方法对虹吸式、直管式和斜式出水流道内的基本流态进行了初步的分析计算力图揭示这三种形式出水流道内的三维流动形态为认识和解决各类有关出水流道的水力学问题奠定必要的基础。1出水流道流动模拟的数学模型泵站出水流道三维流动模拟采用了雷诺平均N-S方程并以标准κ-ε紊流模型使方程组闭合。选用这种模型的原因是因为试验证明标准κ-ε紊流模型对三维流动是非常适用的[2]。1.1控制方程在定常条件下泵站出水流场的不可压流动可用以下一组方程描述：1.连续方程(1)2.动量方程(2)3.紊动能方程(3)4.紊动能耗散率方程(4)上述各式中xi(i=123)为坐标系坐标ui(i=123)分别为沿i方向的速度分量fi为沿i方向的质量力p为压力ρ为水的密度v为水的运动粘性系数。Pr为紊动能生成率其表达式为(4a)式中vt为涡粘性系数可采用下式计算：vt=Cμ(κ2/ε)(4b)κ-ε模型中的有关常数为：这里κ为vonKarman常数[3-5]。(1)～(4)式也可统一地用下列椭圆型守恒方程式表示：(5)式中Φ表示具有守恒型的通用变量ΓΦ为扩散系数RΦ为源项。对应于Φ的特定含义ΓΦ与RΦ相应地具有特定的形式。1.2边界条件1.流厨口计算流场的进口设置在水泵后导叶出口断面这里无疑是充分发展的流动。专门设计的试验表明在设计条件下导叶出口的环量很小[6]这里认为导叶出口的环量为零。因此流厨口的边界条件仅提进口流速垂直于流厨口断面。2.流场出口计算流场的出口设置在距流道出口有一定距离的出水池内这里的边界条件近似按静水压力分布给出[7]即(6)3.固体壁面出水流道边壁、出水池底部等处均为固体壁面其边界条件按固壁定律处理[8]。固壁边界条件的处理中对所有固体壁面的节点应用了无滑移条件而对紧靠固体壁面节点的紊流特性则应用了所谓对数式固壁函数处理之。固壁处的摩擦速度可表为：u*=κuw/[ln(zw/dw)](7)式中zw为靠近固壁的单元的中心至固壁的距离dw为固壁的绝对糙度uw为该单元平行于固壁的速度分量。κ和ε可分别表为：(8)ε=u*3/κzw(9)4.自由表面出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而紊动能耗散率为(10)式中zs为靠近自由表面单元的中心至自由表面的距离κs为该单元的紊动能量CBE=0.07[9]。1.3离散方程出水流道流场的数值计算采用了控制体积法虹吸式出水流道、直管式出水流道和15°斜式出水流道的网格剖分情况分别示于图1、图2和图3所示。图4所示为计算中采用的错列式网格系统(图中仅给出x-y平面的网格示意图其它两个平面的网格与此类似)非矢量变量的网格点均位于单元体的中心而速度变量的网格点则位于单元体之间的交界面上。