出水流道的水力性能对大型低扬程泵站的影响举足轻重,其水力设计的质量好坏不仅影响泵装置效率,而且影响泵站的安全和稳定运行。扩散角对出水流态和流道水力性能的影响很大,是大型低扬程泵站出水流道三维形体水力设计的关键参数之一。现行《泵站设计规范》对出水流道扩散角的要求是采用基于过流面积折算的当量扩散角,以便于工程技术人员进行设计计算。这种方法实际上是将出水流道三维的设计问题简化为二维的计算,在很大程度上不能反映出水流道内的实际流动情况,更不能满足现代大型低扬程泵站建设的高标准、高要求。随着现代科技水平的不断发展,特别是CFD理论和技术水平的不断进步,对出水流道内三维流场的认识不断深化,先已经具备了从三维的角度对出水流道进行水力设计,从而避免采用当量扩散角存在的问题。本文分析了大型低扬程泵站出水流道的水力设计采用当量扩散角存在的问题,采用数值模拟的方法对大型低扬程泵站出水流道内的扩散流动进行了较为深入研究,提出了用平面扩散角和立面扩散角取代当量扩散角进行出水流道三维形体优化水力设计,并将研究成果应用于工程设计,取得了令人满意的效果。本文主要研究成果如下:(1)分析了《泵站设计规范》(GB50265-2010)中关于泵站出水流道当量扩散角宜取8～12°存在的问题,指出:扩散角是大型低扬程泵站出水流道三维形体水力设计的关键参数之一,对出水流态和流道水力性能的影响很大;当量扩散角是一种基于过流面积折算的方法,对于出口断面面积相同而断面形状分别为“扁宽型”矩形和“高窄型”矩形的两个出水流道,经折算可以得到相同的当量扩散角,存在着理论上的矛盾。(2)将出水流道内水流的三维扩散流动分解为平面方向的扩散流动和立面方向的流动;对于出口断面形状为“扁宽型”矩形的出水流道,出水流道内的水流以平面方向的扩散为主,而对于出口断面形状为“高窄型”矩形的出水流道,出水流道内的水流以立面方向的扩散为主,若采用当量扩散角进行出水流道的水力设计,可能导致同一个当量扩散角对应于两种差别很大的出水流道内的扩散流动。(3)根据统计结果,已建大型低扬程泵站出水流道立面扩散角的取值范围为5°～10°、平面扩散角的取值范围为15°～23°,说明出水流道内水流在立面方向的扩散较小、平面方向的扩散较大,其原因在于:立面方向的扩散受到泵房水工布置、出水池水位变幅、闸门尺寸、土建工程量等因素的限制,平面方向的扩散所受的限制因素很少。(4)采用数值模拟的方法分别对具有多个不同平面扩散角和立面扩散角的出水流道方案进行了三维流场计算,结果表明:大型低扬程泵装置出水流道平面扩散角的取值宜为18°左右,立面扩散角的取值一般为8°左右;平面扩散角过大会导致流道内水流脱流而产生旋涡,平面扩散角过小则会导致流道长度过大而增加土建工程量;(5)应用本文研究成果对大型前置竖井式贯流泵装置出水流道和斜25°轴流式泵装置出水流道进行了优化水力设计,泵装置模型试验结果表明这两个泵装置均获得了十分优异的水力性能:前置竖井贯流泵装置最优工况点效率达到83.7%,斜式轴流泵装置最优工况点效率达到81.0%。