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《扬州大学》 2003年
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虹吸式出水流道三维紊流数值模拟及优化试验研究

杲东彦  
【摘要】: 虹吸式出水流道系利用虹吸原理出水的一种流道结构形式,在大型泵站中有着较为广泛的应用,在我国已建的大型泵站中大多采用了虹吸式出水流道。南水北调东线工程拟建五十多座大型泵站预计有一半左右也将采用这种型式的出水流道。 出水流道是水泵导叶出口与出水池之间的过渡段,其作用是为了使水流在从水泵进入出水池的过程中更好地转向和扩散,在不发生脱流和旋涡的条件下最大限度地回收动能。出水流道内的流态及动能回收情况决定了出水流道的水力损失,对水泵装置的能量性能有明显影响,尤其是对于低扬程泵站,由于出水流道水力损失在水泵总扬程中所占的比例特别大,出水流道的水力性能对水泵装置性能的影响就更为突出。因此,采用科学合理的方法设计虹吸式出水流道,对于减少流道损失,提高泵站效率,特别是对于年运行时数长的跨流域调水泵站,意义十分重大。 泵站出水流道的水力设计过去一直是采用一维流动的理论(平均流速法),与实际流道内的三维流动情况出入很大。面对二十一世纪科学技术的快速发展和对南水北调东线工程等跨流域调水大型泵站工程建设的高标准、高要求,这种设计方法显然不能适应需要。随着计算流体动力学理论和技术的迅速发展,应用三维紊流数值模拟方法来对出水流道内的流动情况进行研究已成为可能,同时还可在此基础上进行出水流道的优化水力设计。 本文在三维流动数值模拟的基础上,根据对虹吸式出水流道流态的要求,进行了出水流道的优化水力设计。其基本思想是:给出一系列不同的出水流道边界,完成一系列相应的正命题计算,用一系列的正命题的解来尽可能地逼近最优解。虹吸式出水流道三维流动模拟的控制方程为雷诺平均Navier-Stokes方程,并以紊流模型使方程组闭合。近壁流动采用壁面函数法,方程离散采用控制体积法。对动量方程的求解,压力与速度的耦合关系采用压力修正法SIMPLE系列算法,变 扬州大学硕士学位论文 量的布置采用交错网格系统。虹吸式出水流道三维流动的计算区域由虹吸式出水 流道本身及具有一定长度的出水池组成,计算区域在贴体坐标系上进行离散,三 维网格的生成采用了微分法、代数法及多块网格技术相结合的方法。 虹吸式出水流道的形状比较复杂,为便于进行优化设计计算,流道的几何形 状分别采用尺寸控制和型线控制两类变量建立动态的数学模型。 为了验证数值模拟和优化计算结果,结合南水北调东线工程宝应泵站建设的 需要,对虹吸式出水流道优化前、后的两种方案进行了模型试验研究。为此,设 计了透明虹吸式出水流道的流态观察及水力损失测量装置。试验结果表明:流场 数值模拟结果与模型试验结果一致;优化后的流道的流态有了明显的改善;优化 后的流道水力损失减少了;本文所采用的虹吸式出水流道的三维数值计算及优化 方法是可行的。
【学位授予单位】:扬州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TH38

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【引证文献】
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