開敞式低揚程大型泵裝置水力優(yōu)化設計研究.pdf

1、開敞式低揚程大型泵裝置以其結構簡單、安裝檢修方便等優(yōu)點，近年來在我國城市防洪除澇工程、供水工程及農業(yè)灌溉排澇工程中得到了廣泛應用，但目前有關開敞式泵裝置的水力優(yōu)化設計研究還不夠全面，還不能滿足工程實際要求。為此，本文對開敞式低揚程大型泵裝置水力優(yōu)化設計進行了系統(tǒng)研究。
　　本文首先運用ANSYS CFX、STAR-CCM+等軟件對鐘形進水流道、箱涵式出水流道開展了單因素和多因素正交數(shù)值模擬研究，在進、出水流道水力優(yōu)化設計基礎上，然

2、后結合江蘇省大型開敞式泵站-富安泵站，將優(yōu)化設計的進、出水流道與水泵模型匹配組成泵裝置，通過三維湍流數(shù)值模擬和模型泵裝置試驗研究富安泵站整體裝置性能。具體研究內容包括:
　　(1)針對鐘形進水流道，設計5因素（喇叭管高度H1、喇叭管口懸空高度H2喇叭管口直徑D1、吸水錐高度H3和流道寬度B）4水平的L16(45)正交試驗方案。以進水流道水力損失、流道入口的速度均勻度和入流角為目標函數(shù)，采用極差分析法確定5因素的主次順序，并得出最優(yōu)

3、組合方案。研究相同因素下，不同水平對進水流道水力損、流道入口的速度均勻度和入流角的影響規(guī)律，并比較各組合方案的流道內部流場。
　　(2)根據(jù)正交試驗研究結果，針對喇叭管高度和喇叭管口懸空高度這兩個主要因素，又設計24組數(shù)值試驗方案，系統(tǒng)地研究喇叭管高度和喇叭管口懸空高度的變化對進水流道水力損失、流道入口的速度均勻度和入流角的影響規(guī)律，并對比分析各方案的流道內部流場。
　　(3)在鐘形進水流道系列研究基礎上，結合大型開敝式泵站

4、-江蘇富安泵站，研究流道總高度確定時，5種不同喇叭管口懸空高度對進水流道水力損失、進水流道入口均勻度和入流角的影響規(guī)律，比較分析了各方案的流場。
　　(4)以箱涵式出水流道為研究對象，以流道水力損失為目標函數(shù)，設計5個出水流道高度H4，3個喇叭管口至流道頂板高度H5，共15個數(shù)值試驗方案，并對每個方案進行3種不同流量下數(shù)值試驗，探討箱涵式出水流道水力優(yōu)化設計。
　　(5)在對開敞式泵裝置流道水力優(yōu)化研究基礎上，設計了江蘇富安

5、泵站鐘形進水流道和箱涵式出水流道，設計制作了模型泵裝置，構建了模型試驗系統(tǒng)，并測試了不同葉片角度下的模型泵裝置能量特性。
　　(6)以江蘇富安泵站模型泵裝置為研究對象，運用CFD方法對模型泵裝置進行了三維湍流數(shù)值模擬研究，并將數(shù)值模擬結果與模型試驗值進行對比分析。
　　通過數(shù)值模擬和試驗研究，得出以下結論:
　　(1)正交試驗研究表明，鐘形進水流道喇叭管口的直徑對鐘形進水流道的水力性能起著主要影響，表現(xiàn)為隨著喇叭管口直

6、徑的增加，流速分布均勻度呈上升趨勢，水力損失呈下降趨勢，入流角先上升后減小。
　　(2)針對鐘形進水流道喇叭管口懸空高度和喇叭管高度的多水平試驗研究表明，在同一喇叭管高度下，喇叭管口懸空高度越大，流速分布均勻度越高，水力損失也越小;當喇叭管口懸空高度固定不變，喇叭管高度增大時，流道水力損失先快速減小后緩慢增加，在0.3D0附近出現(xiàn)拐點，有最小值;當喇叭管口懸空高度固定不變，喇叭管高度增大時，流速分布均勻度呈上升趨勢，在0.4D0后

7、增大趨勢變平緩;喇叭管口懸空高度大于0.4D0后，在喇叭管口懸空高度固定時，入流角隨著喇叭管高度H1的增大先增大后減小，于0.4D0附近出現(xiàn)拐點，有最大值。
　　(3)鐘形進水流道高度固定不變，對喇叭管口懸空高度和喇叭管高度的試驗研究表明，流道高度一定時，隨著喇叭管口懸空高度的增加，流速分布均勻度逐漸增加并在0.5D0后增趨于平穩(wěn);流道高度一定時，隨著喇叭管口懸空高度的增加，入流角先減小再增大，在(0.6～0.7)D0間出現(xiàn)拐點，

8、有最小值;流道高度一定時，隨著喇叭管口懸空高度的增加，流道水力損失逐漸減小，并在0.7D0后趨于平穩(wěn);喇叭管口懸空高度的變化對入流角影響不明顯，但對流速分布均勻度和水力損失影響較大。
　　(4)針對箱涵式出水流道喇叭管口至頂板的高度和流道高度的多水平試驗研究表明，箱涵式出水流道水力損失隨流道高度的增加而增加;在0.8至1.2倍設計流量區(qū)間里，喇叭管口至頂板高度和流道高度對流道水力損失的影響規(guī)律一致;當喇叭管口至流道頂板高度一定時，

9、適當增加流道高度可以明顯降低流道水力損失;當流道高度保持不變時，流道水力損失隨著H5的增大而增大;當喇叭管口至流道頂板高度為0.4D0時，流道高度的變化對水力損失的影響很小。
　　(5)經優(yōu)化設計后的進、出水流道配水泵生產廠家提供的模型泵組成的富安模型泵裝置系統(tǒng)，在試驗過程中水力性能良好，運行穩(wěn)定，進水流道內未發(fā)現(xiàn)明顯的漩渦、渦帶，無異常震動、噪音;在設計凈揚程下，葉片角度+2°時模型泵裝置的流量為338L/s，標準方法換算成原型