開敞式低揚(yáng)程大型泵裝置水力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、開敞式低揚(yáng)程大型泵裝置以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國(guó)城市防洪除澇工程、供水工程及農(nóng)業(yè)灌溉排澇工程中得到了廣泛應(yīng)用，但目前有關(guān)開敞式泵裝置的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究還不夠全面，還不能滿足工程實(shí)際要求。為此，本文對(duì)開敞式低揚(yáng)程大型泵裝置水力優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　本文首先運(yùn)用ANSYS CFX、STAR-CCM+等軟件對(duì)鐘形進(jìn)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(jìn)、出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，然

2、后結(jié)合江蘇省大型開敞式泵站-富安泵站，將優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)、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(yàn)研究富安泵站整體裝置性能。具體研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)針對(duì)鐘形進(jìn)水流道，設(shè)計(jì)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(yàn)方案。以進(jìn)水流道水力損失、流道入口的速度均勻度和入流角為目標(biāo)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(duì)進(jìn)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(nèi)部流場(chǎng)。
　　(2)根據(jù)正交試驗(yàn)研究結(jié)果，針對(duì)喇叭管高度和喇叭管口懸空高度這兩個(gè)主要因素，又設(shè)計(jì)24組數(shù)值試驗(yàn)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(duì)進(jìn)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(duì)比分析各方案的流道內(nèi)部流場(chǎng)。
　　(3)在鐘形進(jìn)水流道系列研究基礎(chǔ)上，結(jié)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(shí)，5種不同喇叭管口懸空高度對(duì)進(jìn)水流道水力損失、進(jìn)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(chǎng)。
　　(4)以箱涵式出水流道為研究對(duì)象，以流道水力損失為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)5個(gè)出水流道高度H4，3個(gè)喇叭管口至流道頂板高度H5，共15個(gè)數(shù)值試驗(yàn)方案，并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行3種不同流量下數(shù)值試驗(yàn)，探討箱涵式出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　(5)在對(duì)開敞式泵裝置流道水力優(yōu)化研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了江蘇富安

5、泵站鐘形進(jìn)水流道和箱涵式出水流道，設(shè)計(jì)制作了模型泵裝置，構(gòu)建了模型試驗(yàn)系統(tǒng)，并測(cè)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(duì)象，運(yùn)用CFD方法對(duì)模型泵裝置進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬研究，并將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。
　　通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:
　　(1)正交試驗(yàn)研究表明，鐘形進(jìn)水流道喇叭管口的直徑對(duì)鐘形進(jìn)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(shì)，水力損失呈下降趨勢(shì)，入流角先上升后減小。
　　(2)針對(duì)鐘形進(jìn)水流道喇叭管口懸空高度和喇叭管高度的多水平試驗(yàn)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(dāng)喇叭管口懸空高度固定不變，喇叭管高度增大時(shí)，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(diǎn)，有最小值;當(dāng)喇叭管口懸空高度固定不變，喇叭管高度增大時(shí)，流速分布均勻度呈上升趨勢(shì)，在0.4D0后

7、增大趨勢(shì)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(shí)，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(diǎn)，有最大值。
　　(3)鐘形進(jìn)水流道高度固定不變，對(duì)喇叭管口懸空高度和喇叭管高度的試驗(yàn)研究表明，流道高度一定時(shí)，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(shí)，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(diǎn)，

8、有最小值;流道高度一定時(shí)，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(duì)入流角影響不明顯，但對(duì)流速分布均勻度和水力損失影響較大。
　　(4)針對(duì)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(yàn)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(shè)計(jì)流量區(qū)間里，喇叭管口至頂板高度和流道高度對(duì)流道水力損失的影響規(guī)律一致;當(dāng)喇叭管口至流道頂板高度一定時(shí)，

9、適當(dāng)增加流道高度可以明顯降低流道水力損失;當(dāng)流道高度保持不變時(shí)，流道水力損失隨著H5的增大而增大;當(dāng)喇叭管口至流道頂板高度為0.4D0時(shí)，流道高度的變化對(duì)水力損失的影響很小。
　　(5)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的進(jìn)、出水流道配水泵生產(chǎn)廠家提供的模型泵組成的富安模型泵裝置系統(tǒng)，在試驗(yàn)過程中水力性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)水流道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的漩渦、渦帶，無異常震動(dòng)、噪音;在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程下，葉片角度+2°時(shí)模型泵裝置的流量為338L/s，標(biāo)準(zhǔn)方法換算成原型