一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法技术

本发明专利技术属于水利工程技术领域，具体是一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法。在距前池进口4D处（D为叶轮直径），设置导流墩，可以有效地避免回流，漩涡等不良流态。本发明专利技术创新之处在于将导流墩布置为楔形，导流效果好，节约材料等优势。增加本发明专利技术的楔形导流墩可有效解决前池主流集中、水流分配不均、流态紊乱等问题。

A wedge-shaped diversion pier for large diffusion angle of pump station forebay and its research method

【技术实现步骤摘要】
一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法
本专利技术属于水利工程
，具体是一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法。
技术介绍
前池作为衔接进水池和引渠的水工建筑物，主要起平顺扩散水流的作用，其中前池扩散角的大小直接影响到前池内水流流态。扩散角设置不合理易产生回流和旋涡等不良流态。根据规范，前池扩散角α的取值应在20°～40°之内。城市排水泵站等工程，由于场地布置和工程结构特点的原因，有压涵管进水造成主流集中，扩散角过大难以避免，均会导致出现脱壁回流，进一步压迫主流，造成流量分配不均等问题。目前，CFD技术发展迅速，能够高效模拟精细流场，对研究水流流动特性具有推动作用。本专利技术根据前池结构特点，采用数值模拟与模型试验相结合的方法，提出一种楔形导流墩，并设计合适的导流夹角β、长度L。来改善城市排水泵站前池正向水流流态，抑制脱壁回流产生，改善水泵进口条件，进而提高进水流道的效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法。目的在于改善城市排水泵站前池正向水流流态，在城市排水泵站正向进水前池内加楔形导流墩，抑制脱壁回流产生，改善水泵进口条件，进而提高进水流道的效率。本专利技术的目的是这样实现的：一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩，其特征是，该楔形导流墩为顶面倾斜布置的三棱柱结构，并设置于正向进水前池内。优选地，该楔形导流墩布置在距前池进口4D处，D为水泵叶轮直径。优选地，该楔形导流墩的顶面为等腰三角形，该等腰三角形的顶角处低于其底边处，且该等腰三角形的顶角朝向前池进口，底边朝向进水池。优选地，该等腰三角形的顶角为90°，腰长2.5D，D为水泵叶轮直径。优选地，所述等腰三角形的顶角所对应的顶点，其高度为0.3倍进水池断面水深，该高度与其底边的高度比为1：1.38。优选地，所述等腰三角形的底边垂直于水流方向。上述一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩的研究方法，其特征是，包括以下步骤：A.几何建模：应用UGNX软件建立大扩散角正向进水前池的几何模型，该模型包括四台立式水泵出水，扩散角度数为55°，楔形导流墩的顶面顶角为β，腰长为L，导流墩最低点的高度为0.3倍的断面水深；B.边界条件：(1)进口条件：选择引河进水断面为进口边界，质量流进口，总流量为11.48kg/s，湍流强度中等；(2)出口边界：选择四台立式水泵吸水管断面为出水边界，设置为静压出水，流体域中研究区域离出口断面较远，根据以往经验设置为1atm，模拟自由出流；(3)自由水面：采用刚盖假定，水面设置为对称面，不考虑水面剪切力；(4)固体边壁：选择固体边壁为光滑壁面无滑移，不考虑水流对边壁的影响；C.网格划分及无关性分析：采用mesh软件对整个计算域划分网格，采用四面体非结构网格，对导流墩构件进行了局部加密；同时考虑网格数量对数值模拟的精度影响，首先探究网格从30万至300万区间下，计算域内水头损失hf的大小；采用式(1)计算水头损失：hf＝(Pin-Pout)/ρg(1)式中：hf为基于质量平均的水头损失；Pin为进口断面总压强；Pout为出口断面的总压强；ρ为4℃下水的密度；g为重力加速度；当网格数量到达170万之后，水头损失基本保持不变，故计算选择网格数量级为170万；D.原始方案流态分析：水流由引渠正向流入进水前池，水流流态呈现对称分布，流线集中；反映了由于进水前池大扩散角的缘故，导致流速和流量分布不均；E.采用楔形导流墩流态分析及研究方案：通过调整楔形导流墩的顶面顶角为β为90°，腰长为2.5D，与原始方案的流线分布对比，增设楔形导流墩，一定程度上加速了主流的扩散，两侧回流区的面积得以缩小；F.试验结果对比分析：为了验证步骤E中最佳整流方案数值计算结果，制作了与数值模拟相同尺寸的模型循环试验装置，通过观察前池内面层粒子踪迹以及底层丝线的变化，对比原始方案和增设导流墩方案的流线图，验证最佳整流方案；通过模型试验，观测各方案进水池流量分配与CFD结果基本吻合，说明数值模拟结果的可信度较高；通过观察水流流态、断面压力分布以及计算流量分布均匀度，不难发现前池流态得到明显改善，回流区缩小，横向水流以及偏流问题得以缓解，流量分布较均匀。本专利技术主要针对大扩散角前池存在大尺度回旋等不良流态的问题，采用数值模拟方法研究了在前池斜坡段增设楔形导流墩后的水流运动规律。以水泵流量分配均匀度为目标函数，探究了单因素改变导流墩导流夹角β及长度L对前池不良流态的影响，并进行了模型试验验证。研究表明：无整流措施时，前池中主流过于集中、有对称立面旋涡出现，严重影响前池扩散水流，甚至水流裹挟旋涡，进一步影响进水池内流态。在距前池进口4D处，增设导流角度β为90°、长度为2.5D的导流墩后，能够明显改善前池流态，水流均匀进入各进水池。研究成果对城市排水泵站主流过于集中或者大扩散角前池流态改善具有借鉴意义。本专利技术有利于更好地改善城市排污泵站前池的水流流态、提高水泵进口条件、技术可靠、易于实施。本专利技术是一种应对城市排水泵站前池大扩散角的楔形导流墩，布置于前池斜坡段，在距前池进口4D处(D为叶轮直径)，相对于底坎和立柱设置导流墩，可以有效地避免回流，漩涡等不良流态。本专利技术创新之处在于将导流墩布置为楔形，相对于传统的T形导流墩，Y形导流墩具有施工简单，导流效果好，节约材料等优势。特别是应对大扩散角的前池，经数值模拟和模型试验验证增加本专利技术的楔形导流墩可有效解决前池主流集中、水流分配不均、流态紊乱等问题。可使水泵流量分布均匀度达到99.77％。较原始方案均匀度提高了4.80个百分点。附图说明图1为本专利技术楔形导流墩的结构示意图；图2、3为本专利技术的三维模型及前池进水部分平面尺寸；图4为本专利技术的不同数量级网格下的水力损失；图5为原始方案前池三维流线投影图；图6为原始方案各进水池断面1的压力分布云图；图7为本专利技术的整流方案前池三维流线投影图；图8为本专利技术的各方案各进水池断面1的压力分布云图；图9为本专利技术的模型循环试验装置；图10为本专利技术的进水池流量分配模型试验结果与CFD结果比较；图中：1楔形导流墩的顶面、2楔形导流墩的底面。具体实施方案本专利技术适用于各种大扩散角正向进水前池式工程，按照本设计要求设计绘图。确定前池中楔形导流墩顺水流方向L的总长度(即楔形导流墩顶面的腰长)，导流墩的导流夹角(即楔形导流墩顶面的顶角)，导流墩高度。如图1所示，楔形导流墩的高度，导流墩顶点A点的高度为0.3倍的断面水深。导流墩顶点A的高度与顶点B，C的高度比为1：1.38。楔形导流墩的顺水流方向长度L为2.5D，即腰长。(D为水泵叶轮直径)楔形导流墩布置在距离前池进口4D处(即导流墩顶点A距离前池进口为4D)，导流墩距左右边壁距离相等。底边BC垂直于水流方向。楔形导流墩的导流夹角为90°。楔形导流墩顶面的水平投影为三角形，导流墩头部为三角形，尾部的横断面设计为矩形。本专利技术在泵站正向进水前池适当位置加设楔形导流墩，楔形导流墩能很好的引导经由引河流来的水流，起到了非常好的导流作用，有效地改善进水池附近泵站进水流道的水流流态以及进口断面流速均匀度。本专利技术用于城市排水泵站前池内导流墩的改进，将顺水流方向导流墩头部改成楔形。当水流流经导流墩进入进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩，其特征是，该楔形导流墩为顶面倾斜布置的三棱柱结构，并设置于正向进水前池内。

【技术特征摘要】
1.一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩，其特征是，该楔形导流墩为顶面倾斜布置的三棱柱结构，并设置于正向进水前池内。2.根据权利要求1所述的一种应对泵站前池大扩散角的导流墩，其特征是，该楔形导流墩布置在距前池进口4D处，D为水泵叶轮直径。3.根据权利要求1所述的一种应对泵站前池大扩散角的导流墩，其特征是，该楔形导流墩的顶面为等腰三角形，该等腰三角形的顶角处低于其底边处，且该等腰三角形的顶角朝向前池进口，底边朝向进水池。4.根据权利要求1所述的一种应对泵站前池大扩散角的导流墩，其特征是，该等腰三角形的顶角为90°，腰长2.5D，D为水泵叶轮直径。5.根据权利要求3所述的一种应对泵站前池大扩散角的导流墩，其特征是，所述等腰三角形的顶角所对应的顶点，其高度为0.3倍进水池断面水深，该高度与其底边的高度比为1：1.38。6.根据权利要求3所述的一种应对泵站前池大扩散角的导流墩，其特征是，所述等腰三角形的底边垂直于水流方向。7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩的研究方法，其特征是，包括以下步骤：A.几何建模：应用UGNX软件建立大扩散角正向进水前池的几何模型，该模型包括四台立式水泵出水，扩散角度数为55°，楔形导流墩的顶面顶角为β，腰长为L，导流墩最低点的高度为0.3倍的断面水深；B.边界条件：(1)进口条件：选择引河进水断面为进口边界，质量流进口，总流量为11.48kg/s，湍流强度中等；(2)出口边界：选择四台立式水泵吸水管断面为出水边界，设置为静压出水，流体域中研究区域离出口断面较远，根据以往经验设置为1atm，模拟自由出流；(3)自...

【专利技术属性】
技术研发人员：周济人，王怡波，贾君德，刘跃，徐颖，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32