大型泵站前池水流流态数值模拟研究

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前池是泵站的一个重要组成部分,是连接引渠和进水池的建筑物。其主要作用是将引渠内的水平顺地引向水泵吸水管口,为水泵创造良好的工作条件,而在某些情况下,可能造成水流进入前池后产生偏斜、脱壁、回流、漩涡等不良水流流态,不良流态将严重影响进水池内的流态,导致水泵能量性能和汽蚀性能下降,甚至引起水泵的振动,同时回流还会引起前池内的局部淤积,而泥沙淤积又会进一步加剧不良流态的发展。因此,研究泵站前池的流态,对于提高水泵的效率,降低泥沙淤积,以至于对泵站的运行管理,提高经济效益都具有重要的意义。对前池流态的研究以往主要是通过模型试验方法确定,它的特点是形象直观,但是耗用较多的资金和时间。随着计算流体力学的发展和计算机性能的提高,利用数值模拟的方法对泵站前池三维湍流流场的研究将是泵站工程领域的重要方向之一。应用数值模拟的方法可以对试验难以测量的参数进行预估,而不需要大量的试验,有利于提高工作的可靠性和经济性。本文以甘肃省景电灌区大型泵站的正向进水前池和侧向进水前池为研究对象,采用Pro/E软件来完成前池的三维实体造型,使用GAMBIT软件对前池进行网格划分。然后以时均N-S方程及标准κ-ε湍流模型为基础,建立了泵站前池流场的三维定常不可压数学模型,以计算流体力学软件FLUENT为平台,用CFD技术对该三维模型进行数值模拟。本文以清水为介质,通过改变工况对泵站前池的水力特性进行模拟,经过对比分析其各个工况下的流动状态,找到最优开启组合。首先,对正向进水前池从开机决策及扩散角两个方面对前池内的水流流态进行分析;将模拟结果与试验结果比较,对数学模型进行了验证;在此基础上提出了加设八字形导流墩的工程措施,对加设导流墩后的有关设计参数进行了系列计算,得出了最优的参数设计。其次,分别以非对称开启、对称开启和全部开启三种不同运行组合对侧向进水前池流场进行模拟,并且从水流含沙量、池形设计、机组运行组合三方面分析了泥沙淤积的原因。从工程技术方面提出了增设沉沙池的整流方案;从运行管理方面提出了科学地运行水泵机组的管理模式;并且将数值模拟结果与试验结果比较,验证数学模拟计算的合理性与科学性。
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