大型泵站虹吸式出水流道优化水力设计

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农业机械学报

第%&卷第$期

大型泵站虹吸式出水流道优化水力设计

陆林广"杲东彦"祝"婕

""!摘要""采用三维紊流数值模拟的方法!揭示了大型泵站虹吸式出水流道内的三维流动形态"提出通过建立虹吸式出水流道几何模型并借助三维紊流数值模拟的方法!逐一改变流道几何尺寸#观察流态变化#逐步优化流道型线!以最终实现虹吸式出水流道的优化水力设计"通过专门设计的模型试验!验证了虹吸式出水流道优化水力设计的效果$

关键词#泵站"虹吸式出水流道"流态分析"优化设计中图分类号#2T 5%5’$

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陆林广"扬州大学水利科学与工程学院"教授!!!#""3"扬州市杲东彦"扬州大学水利科学与工程学院"硕士生祝"婕"扬州大学水利科学与工程学院"硕士生

""引言

虹吸式出水流道在我国应用相当广泛$!"世纪&"年代初建造的我国第一座大型抽水站(

((江都第一抽水站采用了虹吸式出水流道!在以后建造的5""多座大型低扬程泵站中!大多采用了这种形式的出水流道$目前已正式开工的南水北调东线工程计划建设的#"多座大型泵站中!也有不少泵站拟采用虹吸式出水流道$

虹吸式出水流道由上升段和下降段两大部分组成!

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$驼峰顶部一般设计成扁平状的矩形!以尽可能降低峰顶的真空度!峰顶断面面积则按满足形成虹吸所需的最小流速确定$下降段在立面方向上逐渐

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$

出水流道内的流态及动能回收情况决定了出水流道%包括流道出口&的水力损失!对水泵装置的能量性能有明显影响!尤其是对低扬程泵站!由于出水流道水力损失在水泵总扬程中所占的比例较大!其水力性能对水泵装置性能的影响更为突出$南水北调东线工程中的泵站!不仅扬程低!而且年运行时间特别长%#"""/以上&!若能通过减少出水流道水力损失提高水泵装置效率即使是5J !每年所节省的电能也相当可观$

泵站出水流道的水力设计过去一直采用一维流动理论%平均流速法&!与实际三维流动情况出入很大$这种设计理论的关键问题在于未能考虑出水流道内的流速分布情况$53E 4年颁布实施的水利部

万方数据

部颁标准!泵站设计规范"#H0!"$B E&$曾将虹吸式出水流道的一维流动设计方法作为指导性方法列于附录%5&’但5334年颁布实施的国家标准!泵站设计规范"#5U(2#"!&#B34$’这部分内容已被删去%!&)采用三维流动的理论解决出水流道内存在的流态问题并实现出水流道的优化水力设计’已经被提上议事日程%%&)

<"虹吸式出水流道水力优化设计目标

出水流道优化水力设计的基本思路与解决进水流道优化水力设计问题的思路类似%$&’即给定一系列不同的出水流道边界*完成一系列相应的正命题计算’考察不同边界流道内的三维流态’通过逐一优化流道几何参数*仔细调整流道型线’以流道内不发生脱流和旋涡*流道出口断面的流速分布应尽可能均匀为目标’用一系列正命题的解逼近最优解’在控制尺寸给定的条件下实现流道水力损失最小)

>"虹吸式出水流道几何边界数学模型

图5所示为虹吸式出水流道的示意图’整个流道以驼峰顶部断面O B O为界分为两个部分’左侧为上升段’右侧为下降段)为便于进行流道的优化设计计算’两个部分的几何形状均分别采用简单变量和函数变量进行数学描述)

图5"虹吸式出水流道的几何参数

I(+D5"5’-=’;9(>7$9$=’;’9?-:?(7/-%-*;<’;

"

水泵叶轮中心的安装高程取决于进水流道进口前的最低水位’在叶轮中心高程确定以后’水泵出水导叶出口断面的高程也随之确定)虹吸式出水流道进口断面与水泵导叶体出口断面相接)在图5中’虹吸式出水流道的各几何参数均以其进口断面的中心零点为基准)

>=<"上升段内的变量

>=<=<"简单变量

‘\!+++上升段高度’指零点至驼峰顶部断面中心点的距离Q T+++上升段水平长度’指零点至驼峰顶部断面的水平距离

‘!+++驼峰顶部断面的高度

:!+++驼峰顶部断面的宽度

7+++上升段进口处的锥角’其值应等于水泵出口导叶的扩散角

_!+++流道进口断面直径

>=<=>"函数变量

上升段的函数变量有,上边线的形状2

507 250#X$*下边线的形状2!072!0#X$*流道宽度变化

规律:

07:0

#X$和沿流道中心线各断面的收缩圆半

径变化规律K

07K0

#X$’它们可分别设定为四次多项式函数

2507C50A D50X A L50X!A R50X%A.50X$#5$

2!07C!0A D!0X A L!0X!A R!0X%A.!X X$#!$

:07C%0A D!0X A L%0X!A R%0X%A.%0X$#%$

K07C$0A D$0X A L$0X!A R$0X%A.$0X$#$$

为使水流尽可能地平顺’上述$方程均应满足其各自端点的几何边界条件

对于2

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#X$’有

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#$!7"##$ 2c50B

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K c0#Q T$7"#!"$式#5$!#$$中各有#个待定系数’除需各自满

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"第$期陆林广等,

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