泵站出水流道基本流态的分析
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浅淡低扬程大型泵站出水流道形式及其断流方式的选择引言随着我国工农业生产发展的需要和机电设备生产能力的提高,我国的泵站工程得到了迅速的发展。
至今,我国已经拥有大型泵站三百余座,机电排灌事业的发展,特别是大型泵站的发展,在提高了各地抗御自然灾害的能力,促进国家经济快速、稳定、健康的发展的同时,也使得我们认识到,在技术水平、工程质量、工程管理以及经济效益指标方面与国外先进水平还有着一定的差距。
总结国内外泵站工程的发展经验可知,泵站工程对高效节能的要求越来越高。
低扬程大型泵站泵装置效率目前,各水泵设计研究单位一般比较注重水泵泵段性能,将主要的精力都用于如何提高泵段效率上,为了提高1%的水泵效率,往往需付出极大的努力,而市面上各生产厂家在水泵产品性能样本及使用说明上标明并向用户保证的也仅仅是泵段效率。
因此,水泵设计制造的目标与用户的要求是有所不同的,用户要求的是包括进出水流(管)道在内的泵装置效率。
经过多年大型泵站的建设、应用的经验以及科研成果表明,由于出水流道一般为渐扩弯管,且长度较大,就水力损失而言,远远大于进水流道。
特别当水泵扬程较低时,出水流道水力损失占泵扬程比例一般为10%~15%,而泵扬程特别低时会超过20%。
因此,低扬程大型泵站在设计过程中合理的进行出水流道形式选择,对于改善出水流态,减小出水水力损失,提高泵装置效率有很大的意义。
出水流道的形式大型水泵出水流道是指从水泵导叶出口到出水池之间的过流通道。
在目前国内已建成的工程中,出水流道常采用渐扩且由圆渐方断面,以减小水流流速,从而达到减小流动水力损失的目的。
出水流道的前段为出水室,一般常见的有弯管出水室和蜗壳出水室,后段通常称为出水流道,其形式有虹吸式、平直管式、屈膝式、猫背式、斜式以及双向出水式等。
其中,目前工程实例中最常用的有虹吸式及平直管式两种。
虹吸式出水流道一般由上升段、驼峰段、下降段和出口段组成,一般采用弯管出水室与其相连。
直管式出水流道进口接弯管出水室或蜗壳出水室,纵向沿水平、向上或向下倾斜布置至出水池,其出口上缘需淹没在出水池最低运行水位以下约0.3m~0.5m。
机电工程技术第50卷第01期MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY Vol.50No.01 DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2021.01.053朱佳佳,刘斌.大型泵站常用断流方式分析[J].机电工程技术,2021,50(01):186-188.大型泵站常用断流方式分析朱佳佳,刘斌(江苏省骆运水利工程管理处,江苏宿迁223800)摘要:大型泵站通常采用卷扬式快速门、液压快速门和真空破坏阀来实现断流。
通过详细论述卷扬式快速门、液压快速门和真空破坏阀断流方式的工作原理,分析比较各种断流方式的利弊和应用范围,提出在泵站实际情况允许条件下,优先选用真空破坏阀断流方式。
关键词:断流方式;直管式;虹吸式;卷扬式快速门;液压快速门;真空破坏阀中图分类号:TV675文献标志码:A文章编号:1009-9492(2021)01-0186-03Analysis on Common Cut-off Modes of Large Pumping StationsZhu Jiajia,Liu Bin(Jiangsu Luoyun Hydraulic Engineering Management Division,Suqian,Jiangsu223800,China)Abstract:In large pumping stations,the winch type quick valve,hydraulic quick valve and vacuum breaking valve are usually used to realize the flow cut-off. Through the detailed discussion of the working principles of the cut-off modes of the winch type quick valve,the hydraulic quick valve and the vacuum breaking valve,the advantages and disadvantages and the application scope of various cut-off modes were analyzed and compared,and it was proposed that the vacuum breaking valve cut-off mode should be preferred under the actual conditions of the pump station.Key words:cut off mode;straight outlet conduit;siphon outlet conduit;winch type quick gate;hydraulic quick gate;vacuum-breaking valve0引言大型泵站断流方式根据机组结构和泵站出水流道不同,一般常用快速门断流、真空破坏阀断流、拍门断流、蝶阀断流等方式,快速门断流又分为卷扬式快速门断流和液压快速门断流。
水泵站前池进水流态分析水工1103 叶鹏110804219关键词:泵站;前池;进水流态一.前池前池是泵站的重要组成部分,是引渠和进水池的衔接段.前池使得水流均匀平顺地从引渠进入进水池,为水泵运行创造良好的水力条件.前池扩散段较短,因此来流进入前池后,水流难以均匀扩散,容易形成回流漩涡等不良的水流流态,从而影响水泵的效率,严重时还会引起噪音、振动、汽蚀等现象,影响水泵的正常运行。
前池的不良流态也为泥沙淤积创造了条件,给泵站的运行管理带来了不便。
水泵效率较低,前池淤积现象在已建的泵站中普遍存在。
因此根据城市污水泵站的特点,研究污水泵站的前池流态及其与水泵效率的关系,研究改善前池流态、提高泵站效率、降低泥沙淤积的工程措施对于泵站的运行管理、节能、提高经济效益具有重要的意义。
二.流态分析1.前池回流的成因(l)水流受惯性力作角:由于惯性力的作用,从两个引水涵洞流出的水流仍然保持直线运动,只有受到中间隔墙和边壁的限制时才会改变流向,然后流向正在运行的水泵进水池。
(2)随着流速的增加,水流能够扩散的角度则越小。
当水流所具有的扩散角小于边界实际的扩散角时,水流则会产生脱壁现象,从而产生旋涡和回流。
(3)水流受粘滞力的作用,流动的水体(主流)会带动停滞的水体运动,最后形成比较稳定的回流区。
2.流速和流向前池回流区各断面的流速和流向都是变化的。
特别是在运行台数较多时,池中的流速加快,回流的强度加剧,流速分布曲线的峰值加大。
同样,前池回流区使水流以弯曲的流线流向水泵进水池。
因此,水流总是以一定的倾斜角度进入进水池的。
另外,倾角的大小还与池中的流速大小有关。
如泵全开,或降低池中水位时,池中将出现漏旋涡,连续将空气吸入水泵,致使机组振动和噪音加剧。
另外,前池底坡较大是造成底部流速偏大的原因之一。
而水流在进水池中的偏流又使肘型弯管进口断面在宽度方向的流速分布不对称。
这些因素将对水泵性能产生不良影响三.改善措施为了提高水泵的运行效率,改善前池流态,尽可能地消除和减弱池中回流和旋涡,使流道进口断面的流速和流向分布均匀是非常必要的。
博斯腾湖泵站立式轴流泵出水流道基本流态的探析立式轴流泵的出水流态是确保水泵装置获得最佳能量性能的必要条件。
这个条件对于低扬程泵站的效率具有十分突出的影响。
出水流道内的流态是其最基本的属性,流道的水力性能完全决定于流道内的流态。
因此在选择低扬程立式轴流泵出水流道的形式时,需要对不同形式出水流道的基本流态进行分析。
本文概述了立式轴流泵出水流道的基本流态及水力设计,对立式轴流泵的出水流道三维流动数值模拟及其结果进行了探讨分析。
标签:立式轴流泵;出水流道;水力设计;三维流动数值模拟一、立式轴流泵出水流道的基本流态及水力设计的概述立式轴流泵的出水流道作用是使水流有序地转向和平缓地扩散,在流道内尽可能不产生脱流及旋涡、流道水力损失尽可能小的条件下尽可能多地回收水流的動能。
与大型立式轴流泵配套使用的一般有虹吸式和直管式出水流道。
第一、虹吸式出水流道是一种弯曲形的流道,由上升段、驼峰段、下降段及出口段组成,由于它可以安全地越过提防,而且流道可以直接挡洪、断流方式简单可靠,因此在大型立式轴流泵站中得到了广泛的应用。
第二、直管式出水流道形状相对简单,施工方便,在大型立式轴流泵站中也得到了应用。
对于中高扬程泵站,直管式出水流道的转向角度一般不大于60°;对于低扬程泵站,由于水泵导叶出口断面的高程与上游最低水位之间的差值较小,直管式出水流道往往须作不小于90°的转向。
国家标准《泵站设计规范》(GB/T 50265-97)推荐:对于立式轴流泵站,当出水池水位变化幅度不大时,宜采用虹吸式出水流道,配以真空破坏阀断流方式;对于出水池最低运行水位较高的泵站,可采用直管式出水流道,在出口设置拍门或快速闸门,并在门后设置通气孔。
出水流道的水力设计应满足下列要求:(1)流道出口的平均流速一般不大于1.5 m/s,对于扬程低、运行时数多的泵站,不宜大于1.0 m/s;(2)在各种运行工况下,出水流道内无旋涡、涡带等不良流态;(3)流道水力损失尽可能小;(4)流道的控制尺寸取值合理。
泵站出水流道基本流态分析
泵站是工业化生产、农业水利、城市污水处理、环保等相关领域中必不可少的设备。
泵站的一项重要工作就是把水抽到设定部位。
在这个过程中,出水流道的基本流态会对泵站的运转、水流量以及材质损耗等产生重大影响,因此泵站出水流道的流态分析显得十分重要。
泵站出水流道基本流态分析的目的是对泵站出水流道中的液体运动进行详细的研究。
此外,分析泵站出水流道基本流态还有以下的目的:
1. 评价泵站的设计质量以及水力性能。
2. 测算泵站的流量和水力损失等相关参数。
3. 重要的还是预测泵站的最大输出流量,避免出现水流
过大、过小等问题,造成工作效率低下或是设备的损坏。
泵站出水流道的基本流态分析主要包括以下几个方面:
1. 出水流道内的水流动力分析:根据流道内部液体的运
动特性,经常需要计算出水流道内部的水压及流速的分布情况。
计算这些参数通常需要运用一些基本的海斯定理和伯努利方程式。
通过这些计算,能够更好地评估出水流道的水动力学性能以及水力损失的情况。
2. 测算液体在弯道、阀门和其他管道附属设施中的附加损失。
通过测算附加损失,可以得出出水流道的整个水力损失值,这也是评估泵站性能的重要指标。
3. 对出水口进行分析:出水口是泵站最终排出液体的地方,其造型和孔径尺寸对泵站的性能和功率都会产生影响,因此需要对出水口进行详细的分析和计算。
总之,泵站出水流道基本流态分析是一个高度技术化的工程,涉及到许多领域的专业知识和技能。
只有进行了充分的分析,才能保证泵站的性能和效率达到最佳状态。
因此,对于泵站出水流道基本流态的分析,需要重视,注重细节,精益求精。
文章编号:1007-2284(2015)01-0117-04隧洞取水泵站侧向进水池流态计算与分析樊安顺1,2,杨小妮1,孙西欢1,3,李永业1(1.太原理工大学水利科学与工程学院,太原030024;2.山西省万家寨引黄工程管理局,太原030012;3.山西省水利职业技术学院,运城044004) 摘 要:为评估泵站进水池现有设计及进流条件下的流态及对泵站运行工况的适应性,需对其进行流动计算。
其中湍流模型采用标准k-ε黏性模型,因上部有气液交界面,对自由液面的描述采用VOF模型。
计算采用非定常方法,采用PISO算法进行计算。
结果表明:进水池有主流区(坎外)和坎内流动区,主流区流速较快,给坎内的泵池补水,泵池内液面较平缓。
其研究方法和成果可以为相关泵站进水池设计提供参考。
关键词:进水池;仿真;VOF模型;非定常 中图分类号:TV675 文献标识码:AThe Calculation and Analysis of Flow Pattern in Lateral Intake Poolof the Tunnel Water Intake Pumping StationFAN An-shun1,2,YANG Xiao-ni 1,SUN Xi-huan1,3,LI Yong-ye1(1.College of Water Resources Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Wanjiazhai Yellow River Diversion Project Administration Bureau,Taiyuan 030012,China;3.Shanxi Conservancy Technical College,Yuncheng 044004,Shanxi Province,China)Abstract:To assess the current state of pump sumps and the flow conditions of existing designs to the operating conditions of thepump station adaptability,a flow calculation is done.And turbulence model uses standard k-εviscous model to describe the free sur-face by using VOF model for the gas-liquid interface of the upper part.Unsteady method and PISO algorithm is used to calculate.The results indicate that the pumping station's intake have main flow region(outer of candela)and flow.Mainstream area flow ratesis faster,to supply the region of inter ridge of the pump sump,pump tanks surface is relatively flat.The research methods and re-sults can serves as a reference for designing an associated pumping station.Key words:intake sump;simulation;VOF model;unsteady method收稿日期:2014-03-25基金项目:国家自然科学基金(51109155,51179116)。
浅淡低扬程大型泵站出水流道形式及其断流方式的选择引言随着我国工农业生产发展的需要和机电设备生产能力的提高,我国的泵站工程得到了迅速的发展。
至今,我国已经拥有大型泵站三百余座,机电排灌事业的发展,特别是大型泵站的发展,在提高了各地抗御自然灾害的能力,促进国家经济快速、稳定、健康的发展的同时,也使得我们认识到,在技术水平、工程质量、工程管理以及经济效益指标方面与国外先进水平还有着一定的差距。
总结国内外泵站工程的发展经验可知,泵站工程对高效节能的要求越来越高。
低扬程大型泵站泵装置效率目前,各水泵设计研究单位一般比较注重水泵泵段性能,将主要的精力都用于如何提高泵段效率上,为了提高1%的水泵效率,往往需付出极大的努力,而市面上各生产厂家在水泵产品性能样本及使用说明上标明并向用户保证的也仅仅是泵段效率。
因此,水泵设计制造的目标与用户的要求是有所不同的,用户要求的是包括进出水流(管)道在内的泵装置效率。
经过多年大型泵站的建设、应用的经验以及科研成果表明,由于出水流道一般为渐扩弯管,且长度较大,就水力损失而言,远远大于进水流道。
特别当水泵扬程较低时,出水流道水力损失占泵扬程比例一般为10%~15%,而泵扬程特别低时会超过20%。
因此,低扬程大型泵站在设计过程中合理的进行出水流道形式选择,对于改善出水流态,减小出水水力损失,提高泵装置效率有很大的意义。
出水流道的形式大型水泵出水流道是指从水泵导叶出口到出水池之间的过流通道。
在目前国内已建成的工程中,出水流道常采用渐扩且由圆渐方断面,以减小水流流速,从而达到减小流动水力损失的目的。
出水流道的前段为出水室,一般常见的有弯管出水室和蜗壳出水室,后段通常称为出水流道,其形式有虹吸式、平直管式、屈膝式、猫背式、斜式以及双向出水式等。
其中,目前工程实例中最常用的有虹吸式及平直管式两种。
虹吸式出水流道一般由上升段、驼峰段、下降段和出口段组成,一般采用弯管出水室与其相连。
直管式出水流道进口接弯管出水室或蜗壳出水室,纵向沿水平、向上或向下倾斜布置至出水池,其出口上缘需淹没在出水池最低运行水位以下约0.3m~0.5m。
泵站常用的三种出水流道及其断流方式比较关键词:流道断流方式比较出水流道是泵站土建设计中复杂性较大、技术含量较高的部分。
出水流道形式及其断流方式的选择恰当与否,直接关系到机组能否安全启动和可靠停机。
出水流道是指从水泵导叶出口到出水池之间的过流通道。
出水流道通常分两部分,前段为水泵出水室,常见的有弯管和蜗壳出水两种,弯管式出水室流态较好,但轴向尺寸较大,增加了土建的施工量,适用于扬程较高的泵站;蜗壳式出水室轴向尺寸小,节省工程投资,但施工难度较高,一般适用于低扬程大流量泵站。
出水室的形式选择须考虑与水泵型式相匹配。
后段根据形式可分为虹吸式、直管式、屈膝式、猫背式以及双向出水等几种。
泵站设计过程中,究竟选择何种型式的出水流道,直接影响到机组的运行效率和泵站的整体装置效率,通常根据水泵型式、流道的断流方式、泵站扬程范围、出水口水位变化幅度和水利枢纽整体布置形式等因素,通过水力模型试验和经济比较后再拟定。
大型泵站机组停机时,必须迅速截断水流,以使外河上游水不能倒流。
这样,一方面保护机组在正常停机和发生事故时能及时停稳,从而防止飞逸事故的发生;另一方面确保人民生命财产安全,免受洪涝威胁。
因此,大型泵站在选择断流方式时,必须具备以下四个基本条件:1、安全可靠;2、设备简单,操作简便;3、投资少,易维护;4、对机组运行效率影响较小;大型泵站在设计时选用的断流方式一般有以下三种:1、真空破坏阀断流,适用于虹吸式出水流道;2、快速闸门断流,适用于直管式流道或屈膝式流道;3、拍门断流,适用于直管式流道或屈膝式流道;从工作原理来看:1、虹吸式流道虹吸形成的过程,实质上就是水流充满出水管段、将空气排出管外,从而使驼峰处形成一定真空的过程。
当机组启动后,出水流道内的水位迅速上升,流道内空气受到压缩,如果驼峰顶部装设气动式真空破坏阀,当压力达到一定数值后,将顶开阀盖排气。
当水泵提升的水位超过驼峰底部时,就象溢流堰那样水流顺管壁泄下,在水流下泄的过程中,夹带管中存气流出,出水侧的管内水位也迅速上升,当空气被全部排出管外,水流充满全管,虹吸形成即告结束。
城镇泵站侧向进水间隔墩与圆柱结合水流流态分析周杨;吴东恒;顾春雨;杨晓红【摘要】应用CFD数值模拟技术对城镇泵站侧向进水间原设计、加隔墩、加隔墩与圆柱三种方案进行流场信息对比.结果表明,侧向进水间原设计1#进水间出现大尺度回流与低速区,设置隔墩后,大尺度回流消失,低速区范围大幅缩小;2#进水间水流主流偏流,底层水流翻转,设置隔墩后,偏流与底层水流翻转现象得到好转,加入圆柱后,上述现象进一步好转,流态更加平稳;设置隔墩与圆柱结合整流措施,2#进水间特征断面回流强度大幅下降,低速区进一步减小.【期刊名称】《江苏水利》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】4页(P20-23)【关键词】侧向进水间;隔墩;圆柱;流态;数值模拟【作者】周杨;吴东恒;顾春雨;杨晓红【作者单位】江阴市重点水利工程建设管理处,江苏无锡214431;江阴市水利工程公司,江苏无锡214431;江阴市水利工程公司,江苏无锡214431;江阴市水利工程公司,江苏无锡214431【正文语种】中文【中图分类】TV131城镇泵站设计时由于站址选择、周边楼房密集或者工厂无法搬迁等原因采用侧向进水方式并省去进水前池。
采用这种设计方法可以减少土方开挖、降低工程造价等,但由于没有经过前池水流均匀扩散提供平稳流态严重影响侧向进水间水流流态,导致水泵能量性能和汽蚀性能下降,甚至引起水泵汽蚀与振动[1]。
水流弯曲流动导致侧向进水池水流出现旋涡、回流、流速分布不均匀等不良水力现象,需要采取整流措施,如底坎、隔墩、圆柱、导流墩等。
单一整流措施面对复杂的水流流态往往难以达到设计要求,需要多种整流措施结合,根据水流走势选择合理的几何参数,达到水流平顺的设计要求。
对于泵站侧向进水及整流计算的研究,罗灿[2]等对侧向前池及进水池进行了CFD数值模拟,并在进水池设置了多重隔墩等整流措施,基本消除了回流等不良流态,特征断面流速分布取得最优分布效果。
泵站进水整流措施常见有底坎、隔墩、圆柱、导流墩等。
泵站出水流道基本流态的分析摘要:为了改进泵站出水流道的水力设计方法,采用三维紊流数值模拟的方法,模拟了虹吸式、直管式和斜式三种型式出水流道内的流动形态;发现出水流道平面方向上的扩散情况较好,而立面方向在出口断面附近则不同程度地存在着旋涡,该旋涡对流道出口断面的流速分布有很明显的影响;提出在流道设计时应最大限度地利用流道宽度方向的扩散,以免出口断面的有效面积过多地被旋涡挤占。
关键词:泵站出水流道流态近十几年来,我国对水泵装置作了大量的研究工作,特别是对低扬程轴流泵水力模型和进水流道优化水力设计的研究已取得很多进展,有许多成果已经在泵站工程中得到成功的应用。
由于种种原因,人们对进水流道内的流态比较注意、比较了解,而对出水流道内的流态则缺乏较为深入的了解。
在过去相当长的一段时期内,只做过一些关于出水流道水力损失方面的试验研究。
出水流道是水泵装置的一个重要组成部分,对水泵装置的性能有非常明显的影响。
出水流道的水力设计至今仍建立在传统的一维流动理论的基础上,这种理论与出水流道实际的三维流动情况出入很大。
近些年来,人们对出水流道在水泵装置,尤其是在低扬程水泵装置中的作用,已经有了愈来愈清楚的认识,提出了重视研究出水流道水力设计理论和方法的要求。
1997年9月1日颁布实施的国家标准《泵站设计规范》所规定:“出水流道布置对泵站的装置效率影响很大,因此流道的型线变化应比较均匀”。
流道的外特性是由其内特性决定的,对流道内特性的认识应是更为本质的认识。
本文采用三维紊流数值模拟的方法,对虹吸式、直管式和斜式出水流道内的基本流态进行了初步的分析计算,力图揭示这三种形式出水流道内的三维流动形态,为认识和解决各类有关出水流道的水力学问题奠定必要的基础。
1 出水流道流动模拟的数学模型泵站出水流道三维流动模拟采用了雷诺平均N-S方程,并以标准κ-ε紊流模型使方程组闭合。
选用这种模型的原因,是因为试验证明,标准κ-ε紊流模型对三维流动是非常适用的。
控制方程在定常条件下,泵站出水流场的不可压流动可用以下一组方程描述:1.连续方程(1)2.动量方程(2)3.紊动能方程(3)4.紊动能耗散率方程(4)上述各式中,xi(i=1,2,3)为坐标系坐标,ui(i=1,2,3)分别为沿i方向的速度分量,fi为沿i方向的质量力,p为压力,ρ为水的密度,v为水的运动粘性系数。
Pr为紊动能生成率,其表达式为(4a)式中,vt为涡粘性系数,可采用下式计算:vt=Cμ(κ2/ε)(4b)κ-ε模型中的有关常数为:这里,κ为von Karman常数[3-5]。
(1)~(4)式也可统一地用下列椭圆型守恒方程式表示:(5)式中,Φ表示具有守恒型的通用变量,ΓΦ为扩散系数,RΦ为源项。
对应于Φ的特定含义,ΓΦ与RΦ相应地具有特定的形式。
边界条件1.流厨口计算流场的进口设置在水泵后导叶出口断面,这里无疑是充分发展的流动。
专门设计的试验表明,在设计条件下,导叶出口的环量很小,这里认为导叶出口的环量为零。
因此,流厨口的边界条件仅提进口流速垂直于流厨口断面。
2.流场出口计算流场的出口设置在距流道出口有一定距离的出水池内,这里的边界条件近似按静水压力分布给出,即(6)3.固体壁面出水流道边壁、出水池底部等处均为固体壁面,其边界条件按固壁定律处理。
固壁边界条件的处理中对所有固体壁面的节点应用了无滑移条件,而对紧靠固体壁面节点的紊流特性,则应用了所谓对数式固壁函数处理之。
固壁处的摩擦速度可表为:u*=κuw/[ln(zw/dw)](7)式中,zw为靠近固壁的单元的中心至固壁的距离,dw为固壁的绝对糙度,uw为该单元平行于固壁的速度分量。
κ和ε可分别表为:(8)ε=u*3/κzw(9)4.自由表面出水池的表面为自由水面,若忽略水面风引起的切应力及与大气层的热交换,则自由面对速度和紊动能均可视为对称平面处理,而紊动能耗散率为(10)式中,zs为靠近自由表面单元的中心至自由表面的距离,κs为该单元的紊动能量,CBE=。
离散方程出水流道流场的数值计算采用了控制体积法,虹吸式出水流道、直管式出水流道和15°斜式出水流道的格剖分情况分别示于图1、图2和图3所示。
图4所示为计算中采用的错列式格系统(图中仅给出x-y平面的格示意图,其它两个平面的格与此类似),非矢量变量的格点均位于单元体的中心,而速度变量的格点则位于单元体之间的交界面上。
图1 虹吸式出水流道的格剖分图2 直管式出水流道的格剖分图3 15°斜式出水流道的格剖分图4 错列式格示意图(X-Y平面)图5 三维格的方向通用微分方程(5)式的离散形式可表为:ΦP=(aEΦE+aWΦW+aNΦN+aSΦS+aHΦH+aLΦL+S)/(aE+aW+aN+aS+aH+aL +aP)(11)上式中的aE、aW、aN、aS、aH、aL分别为控制体各相邻格点的系数,脚标中的大写字母E、W、N、S、H、L分别表示与控制体的东、西、北、南、上、下各个表面相邻的控制体的格点(见图5),下同。
这些系数的大小与格的体积有关,它们表示控制体各相应交界面上对流和扩散作用产生的对格点上有关因变量的影响。
影响系数的计算分因变量为标量(如p、κ、ε等等)和因变量为速度矢量两种情况:1.因变量为标量时的系数计算aE=max(0,de-1/2|me|+max(0,-me)(12a)aW=max(0,dw-1/2|mw|+max(0,-mw)(12b)aN=max(0,dn-1/2|mn|+max(0,-mn)(12c)aS=max(0,ds-12ms+max(0,-ms)(12d)aH=max(0,dh-1/2|mh|+max(0,-mh)(12e)aL=max(0,dl-1/2|ml|+max(0,-ml)(12f)在以上各式中,m表示通过控制体表面的对流强度,可为正,也可为负,决定于水流的方向(按迎风格式);d表示通过控制体表面的Φ的扩散率,恒为正;脚标中的小写字母e、w、n、s、h、l则分别表示控制体的东、西、南、北、上、下等表面(见图4),下同。
1)控制体表面对流强度的计算me=ρueAe(13a)mw=ρuwAw(13b)mn=ρunAn(13c)ms=ρusAs(13d)mh=ρuhAh(13e)ml=ρulAl(13f)2)控制体表面扩散率的计算de=ΓeAe/|PE|(14a)dw=ΓwAw/|WP|(14b)dn=ΓnAn/|PN|(14c)ds=ΓsAs/|SP|(14d)dh=ΓhAh/|PH|(14e)dl=ΓlAl/|LP|(14f)式中,A表示控制体表面的面积,PE则表示格点P至格点E的距离,余类推。
2.因变量为速度矢量时的系数计算与速度矢量有关的系数计算,三个方向类似,这里仅列出与速度u有关的系数的计算式,与速度v、w有关的系数计算可依此类推。
aE=max(0,dEu-1/2|me|+max(0,-mEu)(15a)aW=max(0,dPu-1/2|mw|+max(0,-mPu)(15b)aN=max(0,denu-1/2|mn|+max(0,-menu)(15c)aS=max(0,desu-1/2|ms|+max(0,-mesu)(15d)aH=max(0,dheu-1/2|mh|+1/2(max(0,-mh)+max(0,-mhEu))(15e)aL=max(0,dleu-1/2|ml|+1/2(max(0,ml)+max(0,mlEu))(15f)这时,上标“u”表示由速度u引起的对流扩散作用,脚标中字母的意义见图4.1)控制体表面对流强度的计算mEu=(1/2)ρAe(ue+ueE)(16a)mPu=(1/2)ρAe(uw+ue)(16b)menu=)(1/2)(mn+mnE)(16c)mesu=(1/2)(ms+msE)(16d)2)控制体表面扩散率的计算dEu=(1/2)ΓE(Ae+AeE)/|e(eE)|(17a)dPu=(1/2)ΓP(Aw+Ae)/|we|(17b)denu=(1/2)(dn+dnE)(17c)desu=(1/2)(ds+dsE)(17d)dheu=(1/2)(dh+dhE)(17e)dleu=(1/2)(dl+dlE)(17f)式中,|e(eE)|则表示格表面e至表面eE的距离,|we|则表示格表面w至表面e的距离。
2 虹吸式出水流道的基本流态及分析虹吸式出水流道在水泵机组停机时采用破坏真空的办法断流,操作简便可靠,能及时切断水流,机组倒转历时很短;此外,虹吸式流道还便于穿越堤防且不影响其安全。
只是受驼峰顶部最大真空度的限制,一般适用于出口水位变化不大的场合。
我国60年代初建造的第一座大型泵站(江都一站)即采用了虹吸式出水流道。
在以后建造的一百多座大型低扬程泵站中,大多采用了这种形式的出水流道。
虹吸式出水流道断面形状变化比较复杂,上升段的断面形状由圆变方,在平面上逐渐扩大、在立面方向上则略微收缩,过流面积逐渐加大;驼峰段一般为扁平状的矩形,以尽可以降低峰顶的最大真空度,峰顶断面面积则按满足形成虹吸所需的最小流速确定;下降段在立方方向上逐渐扩散,在平面方向上或为等宽、或呈扩散型,断面形状由驼峰处的扁平矩形逐渐扩散为窄而高的矩形。
水泵设计工况下虹吸式流道内的流态如图6所示。
由流场图可以看到,在流道上升段,水流的流动比较平顺,随着流道断面的逐渐扩大,水流速度逐步减小;在驼峰段,水流急剧地转向,在越过峰顶进入下降段以后,强烈的惯性作用迫使水流偏向流道外侧,而在流道内侧则形成了较大范围的脱流,无疑,下降段的角度愈陡,流道内侧的脱流现象将愈加严重;这种脱流现象最终导致在流道的出口段形成一个体积较大的旋涡。
这个立面方向上的旋涡,在垂直于纸面方向上的分布规律是:靠近流道边壁处较弱、靠近流道中心出较强。
在流道平面方向上,没有发生脱流或大尺度的旋涡。
图6 虹吸式出水流道纵向断面内的流态在设计流量的基础上,将计算流量增加或减少20%,发现流量愈大,立面方向的旋涡强度愈大、旋涡影响区域愈大,但流道内的基本流动形态并未发生实质性变化。
图7给出了以相对值表示的虹吸式出水流道出口断面等流速线图,图中数字表示相对于断面平均流速的倍数,流速大于零表示水流流出流道,流速小于零则表示水流流进流道。
由图可见,虹吸式出水流道出口附近存在的旋涡挤占了流道出口的有效出流面积,被挤占的面积约占出口总面积的30%.流速的分布在流道高度方向上具有很明显的规律:愈往上,流速愈大。
最大的流速达到平均流速的倍,而最小的则为平均流速的负倍,分布极为不均匀。
以往常用流量除以流道出口断面积来计算出口的平均速度,未曾考虑到流道出口存在着的旋涡,由于有效出流面积的减小,实际的平均速度要高出计算值40%左右。