高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法技术

本发明专利技术公开了高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面的设计方法，属于水利工程泵站技术领域。其特征是：对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；采用以进水流道三维形体过流面水力性能指标达到最优为要求的设计方法；将进水流道三维形体过流面的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸，并以它们为几何变量构建进水流道三维形体过流面，采用单因素分步优化的方法对各种型式进水流道的I级尺寸和II级尺寸进行优化计算，给出I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围。应用本发明专利技术设计的进水流道具有水流平顺均匀、水力性能优异等优点，可保障水泵机组安全、稳定和高效运。

【技术实现步骤摘要】
高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法
本专利技术属于水利工程泵站
，具体涉及大流量泵站进水流道三维形体过流面的设计方法，特别适用于高性能大流量泵站的肘形进水流道、钟形进水流道、簸箕形进水流道、斜式进水流道和竖井式进水流道。
技术介绍
大流量泵站广泛应用于我国平原地区的水资源配置、农业排灌、水环境治理和城市防洪排涝等重要领域。进水流道位于泵站的前池与水泵叶轮室之间，是大流量泵站关键的水流通道。进水流道三维形体过流面的水力设计对水泵进水流态的影响很大，进水流态不良不仅会降低水泵的能量性能、空化性能，还有可能产生威胁水泵机组稳定运行的吸气涡带或水下涡带。进水流道三维形体过流面传统的设计方法是基于流道断面平均流速的几何作图法，所设计的进水流道三维形体过流面水力性能的技术指标较差，不能保证大流量泵站安全、稳定和高效运行。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述方法的缺陷，提供了一种高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法。本专利技术的特征是，对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；采用以进水流道三维形体过流面水力性能技术指标达到最优为要求的设计方法；将影响进水流道三维形体过流面的流态及水力性能指标的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸，并以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建进水流道三维形体过流面；采用单因素分步优化的方法对各种型式进水流道的I级尺寸和II级尺寸进行优化调整；对每种型式进水流道进行系统的三维流场数值仿真和优化计算，得到I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围。应用本专利技术设计的进水流道具有水流平顺均匀无不良流态、水力性能优异等优点，可保障水泵机组安全、稳定和高效运行。为实现本专利技术的目的，采用如下技术方案：1.本专利技术适用于多种型式的进水流道，特别适用于高性能大流量泵站的肘形进水流道、钟形进水流道、簸箕形进水流道、斜式进水流道和竖井式进水流道三维形体过流面的设计；2.应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；3.根据第2步三维流场数值仿真的结果计算所述进水流道三维形体过流面设计工况下述主要水力性能的技术指标：(1)进水流道出口断面流速分布均匀度式中：Vu为进水流道出口断面流速分布均匀度，％；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；为进水流道出口断面各单元的平均法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；(2)进水流道出口断面水流平均角度式中：为进水流道出口断面水流平均角度，°；uti为进水流道出口断面各单元的横向流速，m/s；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；(3)进水流道水头损失Δh＝E进水流道进口断面－E进水流道出口断面式中：Δh为进水流道水头损失，m；E进水流道进口断面为进水流道进口断面的能量水头，m；E进水流道出口断面为进水流道出口断面的能量水头，m；上述水力性能的主要技术指标通过系统的数值计算和模型试验研究得到；4.在研究进水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响进水流道三维形体过流面的流态及水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸；较宽松的I、II级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但会增加泵站的土建投资，故需兼顾提高进水流道水力性能和控制泵站土建投资两方面的要求，提出合理的尺寸；I级尺寸对泵站土建工程量和进水流道水力性能影响都很大，各种型式进水流道的I级尺寸均为进水流道进口断面至出口断面中心点的水平距离(以下简称进水流道长度)、进水流道进口断面宽度(以下简称进水流道宽度)和叶轮中心线至进水流道底部的垂直距离(以下简称进水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对进水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的进水流道具有不同的II级尺寸；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建进水流道三维形体过流面；5.对每种型式进水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：(1)对I级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；(2)在第(1)步骤完成后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；对各种型式进水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握进水流道各个I级尺寸、II级尺寸影响进水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；在对各种型式进水流道进行系统研究的基础上，得到以水泵叶轮直径D0表示的I级尺寸和II级尺寸(单位为m，下同)的最优取值范围；6.根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围绘制进水流道单线图。本专利技术的目的是这样实现的：1.应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；具体要求如下：(1)三维流场仿真的区域包括泵站前池段、进水流道段和直管段，前池段的长度和底坡取自所述大流量泵站设计值，直管段的直径与进水流道段出口断面的直径相等，直管段的长度为直管段直径的两倍；前池段的出口断面与进水流道段的进口断面衔接，直管段的进口断面与进水流道段的出口断面连接；应用三维造型软件对所述三维流场的仿真区域进行建模；(2)前池段采用COOPER混合网格，进水流道段采用T-GRID网格，直管段采用COOPER混合网格；所述仿真区域的网格数不少于3×105；(3)流场仿真的边界条件：进水流道流场计算的进口边界设置在前池段进口断面，采用速度进口边界条件，其进口平均流速为式中：Q为泵站单泵设计流量，m3/s；Bj为进水流道宽度，m；H为泵站前池段设计水位至前池段进口底部的距离，m；进水流道流场计算的出口边界设置在所述直管段出口断面，采用自由出流边界条件；进水流道段边壁、前池段底壁和直管段边壁采用固壁边界条件，固壁边界的粗糙度为0.001m；前池段两侧面为无相对运动的水体，采用粗糙度为零的边界条件；前池段表面采用对称边界条件；2.根据第1步三维流场数值仿真的结果计算所述进水流道三维形体过流面设计工况下述主要水力性能的技术指标：(1)进水流道出口断面流速分布均匀度式中：Vu为进水流道出口断面流速分布均匀度，％；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；为进水流道出口断面各单元的轴向平均流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；(2)进水流道出口断面水流平均角度式中：为进水流道出口断面水流平均角度，°；uti为进水流道出口断面各单元的横向流速，m/s；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；(3)进水流道水头损失Δh＝E进水流道进口断面－E进水流道出口断面式中：Δh为进水流道水头损失，m；E进水流道进口断面为进水流道进口断面的能量水头，m；E进水流道出口断面为进水流道出口断面的能量水头，m；经过系统的数值计算和模型试验研究，得到高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面水力性能的主要技术指标列于表1；表1高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计工况水力性能的主要技术指标3.在研究进水流本文档来自技高网...

【技术保护点】
高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法，其特征是，(1)应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；(2)根据第(1)步三维流场数值仿真的结果，计算所述进水流道三维形体过流面下述主要水力性能的技术指标：①进水流道出口断面流速分布均匀度式中：Vu为进水流道出口断面流速分布均匀度，％；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；为进水流道出口断面各单元的平均法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；②进水流道出口断面水流平均角度式中：为进水流道出口断面水流平均角度，°；uti为进水流道出口断面各单元的横向流速，m/s；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；③进水流道水头损失Δh＝E进水流道进口－E进水流道出口式中：Δh为进水流道水头损失，m；E进水流道进口为进水流道进口断面的能量水头，m；E进水流道出口为进水流道出口断面的能量水头，m；上述水力性能的主要技术指标通过系统的数值计算和模型试验研究得到；(3)在研究进水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响进水流道三维形体过流面的流态及水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级 尺寸；较宽松的I、II级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但同时又会增加泵站的土建投资，故需要兼顾提高进水流道水力性能和控制泵站土建投资两方面的要求合理取值；I级尺寸对泵站土建工程量和进水流道水力性能影响都很大，各种型式进水流道的I级尺寸均为进口断面至出口断面中心点的水平距离(简称进水流道长度)、进口断面宽度(简称进水流道宽度)和叶轮中心线至流道底部的垂直距离(简称进水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对进水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的进水流道具有不同的II级尺寸；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建进水流道三维形体过流面；(4)对每种型式进水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：①对I级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；②在第①步骤完成后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；对各种型式进水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握进水流道各个I级尺寸、II级尺寸影响进水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；在对各种型式进水流道进行系统研究的基础上，得到以水泵叶轮直径D0表示的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围；(5)根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围绘制进水流道单线图。...

【技术特征摘要】
1.高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法，其特征是，(1)应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；(2)根据第(1)步三维流场数值仿真的结果，计算所述进水流道三维形体过流面下述主要水力性能的技术指标：①进水流道出口断面流速分布均匀度式中：Vu为进水流道出口断面流速分布均匀度，％；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；为进水流道出口断面各单元的平均法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；②进水流道出口断面水流平均角度式中：为进水流道出口断面水流平均角度，°；uti为进水流道出口断面各单元的横向流速，m/s；uai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；③进水流道水头损失Δh＝E进水流道进口－E进水流道出口式中：Δh为进水流道水头损失，m；E进水流道进口为进水流道进口断面的能量水头，m；E进水流道出口为进水流道出口断面的能量水头，m；上述水力性能的主要技术指标通过系统的数值计算和模型试验研究得到；(3)在研究进水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响进水流道三维形体过流面的流态及水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸；较宽松的I、II级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但同时又会增加泵站的土建投资，故需要兼顾提高进水流道水力性能和控制泵站土建投资两方面的要求合理取值；I级尺寸对泵站土建工程量和进水流道水力性能影响都很大，各种型式进水流道的I级尺寸均为进口断面至出口断面中心点的水平距离(简称进水流道长度)、进口断面宽度(简称进水流道宽度)和叶轮中心线至流道底部的垂直距离(简称进水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对进水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的进水流道具有不同的II级尺寸；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建进水流道三维形体过流面；(4)对每种型式进水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：①对I级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；②在第①步骤完成后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；对各种型式进水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握进水流道各个I级尺寸、II级尺寸影响进水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；在对各种型式进水流道进行系统研究的基础上，得到以水泵叶轮直径D0表示的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围；肘形进水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：进水流道长度XL＝(4.0～4.5)D0，进水流道宽度Bj＝(2.4～2.5)D0，进水流道高度Hw＝(1.8～1.9)D0；II级尺寸：进水流道喉管高度Hk＝(0.8～0.9)D0，进水流道下边线倾角β＝(0～12)°；钟形进水流道主要几何变量的最优取值范围I级尺寸：进水流道长度XL＝(4.0～4.5)D0，进水流道宽度Bj＝(2.9...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆林广，陆伟刚，徐磊，练远洋，施克鑫，洪飞，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32