虹吸式出水流道优化水力设计研究

作     者：李秀萍 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周济人

授予年度：2020年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：虹吸式出水流道 数值模拟 环量 隔墩 流道几何参数 

摘      要：泵站广泛应用于我们生活中各行各业,尤其是在农业灌溉排水、调水输水和城镇建设等方面,为保障人民幸福生活以及促进国民经济的良性发展做出了重大的贡献。出水流道是泵站重要的过流部件,其主要作用就是回收动能。若流道出现旋涡、脱流等不良流态,不仅会加大水力损失,甚至还会影响泵站的正常运行。虹吸式出水流道具有断流方式简单以及水力损失较小等优势,在我国许多大型低扬程泵站中应用广泛。因此,本文以虹吸式出水流道为切入点,研究出水流道的优化水力设计。本文采用CFX基于RNG k-ε湍流模型对虹吸式出水流道进行了数值模拟研究,主要研究内容分三个方面:1.导叶出口剩余环量对流道水力性能的影响2.在环量作用下流道隔墩长度对流道水力性能的影响3.流道几个关键几何参数（包括上升段倾角α、下降段倾角β、驼峰断面宽度B2、出口断面宽度B3）对流道本身以及泵装置扬程和效率的影响。具体研究成果如下:1、导叶出口剩余环量对流道的水力性能有较大的影响。随着流量的增大,导叶出口的流速分布越来越均匀,出水流道受环量的影响越来越小,流道的水力损失呈现先下降后上升的趋势,动能回收系数变化趋势与之相反,流道出口断面流速均匀度越来越低。2、在不同流量工况下,流道水力性能随隔墩长度的变化规律有所不同。在小流量和设计流量工况下,流道水力损失与隔墩长度呈正相关,隔墩越长,流道水力损失也越大;而大流量工况却有所不同,流道水力损失随隔墩长度的增加呈现先减小后增大的趋势。可见当流量较大时,在流道内增设一定长度的隔墩可以起到一定的整流作用。3、①流道水力损失随上升段倾角α的增大先减小后增大。α仅过小,会加大流道上升段的水平长度,同时也会使水流在进口弯管段处的弯曲角度增大,增大流道局部水力损失;α过大时,驼峰处的转弯角度加大,增大了水流跨越驼峰时的局部阻力,同时流道内还会产生大面积的旋涡。兼顾流道水力性能与工程投资,建议α宜取值30～45°。②流道水力损失与β值呈现明显的正相关,即β越大,水力损失也越大。较大的β会加大水流在驼峰段的转弯角度,受水流环量和惯性的综合影响,流道下降段下部区域会产生大面积的脱流,加大旋涡区域。从水力性能考虑,β宜取较小值,但β过小也会增加下降段水平长度,兼顾流道水力性能与工程投资,本文初步建议β取25～35°。③流道水力损失随驼峰断面宽度B2的增大先减小后增大。当B2≈1.85D0（D0为叶轮直径）时,流道的综合水力性能最好,流道整体流态较好,水力损失最小,动能回收系数最大,出口流速分布也较为均匀。建议驼峰断面宽度B2取值1.85D0左右为宜。④流道出口断面B3对流道水力性能和土建投资有一定的影响,过大的B3会明显加大流道的水力损失,削弱流道的动能回收效果。但当B3/D02.5以后,流道水力损失几乎不再受B3的影响,综合考虑土建投资以及几个水力性能指标的变化情况,本文初步建议B3取 2.3～2.5D0。