泵站流道断面流场的可视化
大型泵站流道设计论文三维湍流数值模拟应用论文
大型泵站流道设计论文三维湍流数值模拟应用论文【摘要】大型的竖井贯流泵站进、出水流道设计始终是一工程难题，其合理的断面不断可以减少水力损失，还可以使流道内的水流流线平顺，无明显回流、漩涡，流态良好。
一、概述某大型泵站为单向排涝泵站，泵站总设计流量为120m3/s，拟装设2800ZGB24-2.5（叶轮直径D=2800mm，额定转速128.6r/min）竖井贯流泵5台，单泵设计流量为24 m3/s。
该泵站特征水位和扬程如：二、进水流道设计要求由于该泵站设计流量特别大，运行水位较低，扬程小，根据国内特低扬程大型泵站布置实例，目前采用比较多的形式为轴伸贯流式、灯泡贯流式和竖井贯流式，特低扬程大型泵站流量大、装置扬程低，进、出水流道损失对装置效率影响很大，其中卧式贯流泵装置水流无立向转弯、异形收缩扩散，理论上水力性能好，较适用于特低扬程泵站。
其中竖井贯流泵站因竖井为开敞式，通风、防潮条件良好，运行和维护方便，机组结构相对简单，装置效率较高等特点，近年来正逐步在国内特低扬程的大型泵站中得到应用，因此湛江市鉴江供水枢纽工程大岸泵站采用竖井贯流泵，竖井贯流泵由竖井进水流道、水泵段和出水流道组成，进水流道包括进口段、竖井段和水泵入口段组成（如图所示），对进水流道基本要求是流道断面流速分布均匀、速度环量为零，流道内无回流及有害漩涡，避免产生震动、噪音等。
进水流道设计是否合理直接影响水泵装置的安全和经济。
因而竖井贯流泵站的设计对进、出水流道的设计要求较高，但目前已建成国内同类型的泵站较少，现有可参照的设计成果少，设计可进行流道数值模拟设计或装置模型试验。
其中三维湍流数值模拟能合理确定流道控制尺寸和型线特征，避免不良流态产生。
三、进水流道三维湍流数值模拟三维湍流数值模拟的计算物理模型建构包括：竖井进水流道的进口段、竖井段和水泵入口段。
在模型构建前需合理给定进、出口边界条件，然后利用Pro/E构建三维物理模型，再将三维模型导入ICEM 中进行网格剖分，再利用流体动力学通用计算软件Fluent6.2.2对不同的工况进行三维湍流数值模拟，根据模拟结果分析流态和水力损失。
流场可视化技术在工程应用中的创新
流场可视化技术在工程应用中的创新一、流场可视化技术概述流场可视化技术是一种将流体运动的物理现象通过图形化手段表现出来的技术。
它在工程领域中具有重要的应用价值，不仅能够帮助工程师直观地理解流体流动的特性，而且对于优化设计、提高效率和安全性具有显著作用。
流场可视化技术的发展，随着计算机图形学和数值模拟技术的进步，已经从简单的矢量场图发展到了复杂的三维动态可视化。
1.1 流场可视化技术的核心特性流场可视化技术的核心特性主要包括以下几个方面：- 直观性：能够将抽象的流体运动数据转化为直观的图形，便于理解和分析。
- 动态性：可以展示流体随时间变化的过程，观察流动的动态特性。
- 交互性：用户可以通过交互操作来改变观察的角度、时间点等，深入研究流体特性。
- 多维度：不仅可以展示速度、压力等单一度量，还可以同时展示多个物理量的分布。
1.2 流场可视化技术的应用场景流场可视化技术的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 航空航天：在飞机设计中，通过流场可视化技术可以优化飞机的气动外形，降低阻力，提高升力。
- 汽车工业：在汽车设计中，利用流场可视化技术可以分析汽车周围的气流，优化汽车的空气动力学性能。
- 海洋工程：在船舶设计中，通过流场可视化技术可以评估船舶的水流影响，提高船舶的航行效率和稳定性。
- 环境工程：在污染物扩散模拟中，流场可视化技术可以帮助评估污染物在水体中的传播路径和影响范围。
二、流场可视化技术的发展历程流场可视化技术的发展历程是一个不断进步和创新的过程，它与计算流体动力学（CFD）的发展紧密相连。
2.1 早期的流场可视化方法早期的流场可视化方法主要包括等高线图、流线图和矢量场图等，这些方法能够展示流体的速度和方向，但缺乏动态性和交互性。
2.2 现代流场可视化技术的发展随着计算机技术的发展，现代流场可视化技术已经能够实现三维动态可视化，提供更加丰富和详细的流体流动信息。
现代技术包括：- 粒子图像测速（PIV）：通过记录粒子在流体中的运动轨迹来获取流速信息。
博斯腾湖泵站立式轴流泵出水流道基本流态的探析
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。
11水泵水轮机流动可视化研究
水 力 发 电
机电与金属结构
文章编号： （’!!" ） !""#$#%&’ !($!!)*$!%
水泵水轮机流动可视化研究
王玲花， 高传昌， 陈德新
（华北水利水电学院， 河南 郑州 &"!!!+ ）
关键词： 水泵水轮机； 流动可视化； 水轮机工况； 稳定性 摘 对低比速混流式模型水泵水轮机转轮在水轮机工况下进行了可视化研究， 结果表 要： 利用 ,-. 流场测试技术， 明水泵水轮机模型在设计工况下转轮区的流态较好； 在非设计工况下， 不管正冲角还是负冲角， 翼间流场都会有一 定的脱流与旋涡存在。尤其在大流量工况下， 在叶片正面形成的脱流漩涡， 其位置几乎不变， 机组运行比较稳定； 在 小流量工况下， 存在着周期性的脱流漩涡， 从进口附近逐渐变化到出口附近， 机组运行不稳定。
流量系 进口水流 数# 角 $ 0?=@
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收稿日期： ’!!"$!%$*& 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （"!%(#!*% ） ； 河南省高 校青年骨干教师资助项目 （豫 教 高 [’!!%\*!! 号 ） ； 华北水利水电学 院 ’!!& 年青年基金资助项目 作者简介： 王玲花 （*#)" —） ， 女， 河南唐河人， 副教授， 博士研究 生， 主要从事水力机械的研究 T
钟形进水流道后壁形状优化
模拟要求。
本研究利用流体动力学通用计算软件 ANSYS CFX，
模拟计算了流量 Q = 7.5m3 工况下各方案钟形进水流道的流动特 性，后处理软件采用 CFX － POST。
数值计算结果
水力优化目标函数值
从计算结果中提取相应数据，处理后得到各水力优化目
标函数值，见表 2。
表 2 各水力优化函数值
编号
η（%）
θ （）
∆h （m）
1
88.87
86.22
0.1233
2
89.36
86.07
0.1160
3
89.47
85.91
0.1149
4
89.70
85.78
0.1129
5
89.83
85.75
0.1131
6
89.22
86.73
0.1170
7
89.46
86.10
0.1150
8
89.56
85.75
0.1133
扬州大学 水利科学与工程学院
行业曲线 industry
影响力
真实度
行业关联度
钟形进水流道后壁形状优化
运用 ANSYS CFX 软件，采用雷诺方程和标准 k -ε 湍流 模型，数值模拟了 9 种不同形状后壁形状的钟形进水流道， 分析了钟形进水流道整体流态，揭示了钟形进水流道出口断 面及纵向中心剖面的流态特点，并以流道出口速度均匀度、 速度加权入流角和水力损失为目标函数，分析比较了各方案 的数值计算，选出了钟形流道后壁的优化形状。
+
pi1 ρg
+
vi21 2g
⋅
ρvai1 Ai1
∑ ρvai2 Ai2
一种基于CVT的动态流场可视化方法
北京航空航天大学，数学与系统科学学院，北京
收稿日期：2017年12月22日；录用日期：2018年1月18日；发布日期：2018年1月26日
摘要
本文给出了一种基于CVT (Centroidal Voronoi Tessellation)的动态流场可视化方法。这种方法基于稳态
文章引用: 高天成, 朱立永. 一种基于 CVT 的动态流场可视化方法[J]. 应用数学进展, 2018, 7(1): 118-127. DOI: 10.12677/aam.2018.71015
流场可视化是科学计算可视化的一个分支方向[4]，同时也是流体力学的重要部分。流场可视化推动了 计算流力学的快速发展。流场可视化用箭头、流线和粒子跟踪技术研究二维流场。在本文中，我们将文 献[1]中发展的基于 CVT 的可视化方法推广到动态流场的情形。借助于相邻时间层生成元的继承性，缩短 了可视化的计算时间。同时，通过引入短流线箭头，不但避免了直线箭头表示向量时相互交叉的问题，而 且又更清楚地刻画了流场的特征。数值算例表明了所给出的基于 CVT 的动态流场可视化方法的有效性。
在文献[1]中，Du 和 Wang 提出了一种基于 CVT (Centroidal Voronoi Tessellation)的稳态向量场可视化 方法。这种方法通过引入空间和向量场的距离函数来度量空间分布向量场的相似性。基于这样的距离， 向量场可以被自然地分类并找出其中典型代表。这种方法既有简单几何上的直观，又建立在 CVT 的最优 性质基础之上。这种方法描述简单，容易理解和实施。文献[2]基于计算 CVT 的多水平算法，发展了一种 快速的 CVT 可视化方法，这种方法要优于经典的 Lloyd 方法，可以做到对不同尺寸问题的一致收敛。在 文献[3]中，Liu 和 Lu 等人提出了流线 CVT 的概念，并给出了一种数值计算流线 CVT 的方法，这种方法 可以给出流线的最优位置来代表流场的几何特征。
泵站钟形进水流道吸水室后壁形状的研究
泵站钟形进水流道吸水室后壁形状的研究作者：叶鹏刘超许健查智力黄佳卫来源：《南水北调与水利科技》2017年第05期摘要：基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε紊流模型，对矩形、半圆形和“ω”吸水室后壁形状的钟形进水流道泵装置进行了三维紊流数值模拟，并分析了钟形进水流道后壁形状对泵装置水力特性的影响。
相同流量下，“ω”形吸水室进水流道流线分布最规则，漩涡比其他形状的进水流道小，“ω”形吸水室进水流道水力损失比矩形吸水室进水流道小1cm；出口断面的流速均匀度达到93%，比矩形和半圆形吸水室进水流道高约2个百分点；出口断面速度加权平均角度达到83.5°，比矩形吸水室进水流道高0.6°，比半圆形吸水室进水流道高0.2°；泵装置运行高效区流量范围比半圆形的拓宽了7.3%，比矩形的拓宽了30%。
该研究对于完善泵站钟型进水流道吸水室优化设计具有一定意义。
关键词：泵装置；钟形进水流道；后壁形状；数值模拟；优化设计中图分类号：TV131.4 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0195-07进水流道是泵站前池和水泵的叶轮室之间的过渡段，是整个泵装置的重要组成部分。
进水流道的主要作用是使水流加速和更好地转向，为叶轮室进口提供良好的水力条件。
故其出口流态对水泵的能量性能、汽蚀性和安全性能有很大影响。
钟形进水流道是一种比较好的进水流道形式。
它的显著特点是高度较小，流道宽度较大，可以减少泵站基础的挖深，从而降低土建工程投资。
这对于某些站址地质较差的泵站，具有特别重要的意义。
钟形进水流道的几何形状比肘形进水流道更为复杂，因此设计难度更高，而且现在也没有成熟的水力设计方法。
钟形进水流道的后壁形状常见的有“ω”形，圆弧形，多边形和矩形，一般多采用前两者[5]。
近年来，我国在钟形进水流道数值模拟与实验方面的研究越来越广泛。
在优化钟形进水流道吸水室后壁形状方面，国内已有不少学者做了研究。
断面数据及其可视化在河道演变分析中的应用
断面数据及其可视化在河道演变分析中的应用湖北荆州喻云枫 434000【摘要】河道演变分析是河道泥沙研究的重要途径，其分析数据将为河道的综合治理及规划提供基础保障。
然而，河道演变分析不仅会受到河道形态、断面特征等内部因素以及工程条件、河道干预、分水、分沙等外部因素的影响，同时各因素又相互关联、相互影响，引导着河道的演变。
因此，获取详细的断面数据、形成可视化的河道图像或视频等对于研究河道演变具有重要意义。
文章将对河道演变的影响因素进行分析，提出河道断面数据及信息对于河道治理规划的重要性，进而引入DEM、地理信息系统（GIS）、Surfer软件等获取断面数据及可视化手段在河道演变中的应用，推动数字化河道的演变。
【关键词】断面数据；可视化；河道演变1 前言河道演变分析是河道治理的关键，也是认识河流，研究河道规划，以及水流对于河道泥沙含量的影响等课题的重要途径。
河道是一个复杂的系统，其自身的变化将随内外部因素的变化而变化。
河道的变化情况直接对于影响涉河工程的建设规划以及河流的生态平衡。
河道断面数据作为河道的基础资料，不仅能够体现河道的现状，同时能够根据外界调节到变化较准确的预测出近期内河道的变化情况。
文章将对河道演变的影响因素进行简要分析，进而分析断面数据以及可视化，有效获取断面数据，建立河道数据模型，实现数字化的河道演变分析方式，为河道治理问题提供基本保障。
2 浅析影响河道演变的因素2.1 内在因素河道形态与河道水流流量、流速等具有直接的关系。
不同河道具有其各自的河道形态和床沙特点，河型、断面特征等河道的形态能够直接决定江河的水流参数以及河槽的槽率，而水流参数以及河槽又决定了江河的输水能力和输沙能力。
因此，通过对河道形态特征数据进行分析，可以建立相应的泥沙除淤模型，为河道淤泥处理提供借鉴。
2.2 外在因素河道特性不仅会受到其自身断面形态等内部特征的影响，同时也将受到外部干预的因素的影响，如外部水、沙等外部非河道影响因素。
流场可视化作业
核主泵内部流场可视化研究报告1.前言核主泵位于核岛的心脏部位，作为核电的核心，它的的功能是使冷却剂在反应堆冷却剂系统中循环，以带走堆芯核反应产生的热量，把热量传递给蒸汽发生器二次侧给水。
属于核电站的一级设备。
核电设备的安全性始终是放在第一位。
核主泵内部流场变化规律对核主泵安全性能有重要影响，因此，研究核主泵内部流场变化规律具有重要意义。
2.几何模型核主泵几何模型主要包括叶轮、导叶、压水室和入口管四个部分。
叶轮是核主泵内唯一高速旋转的动力部件，其性能的好坏直接影响了整个核主泵的水力性能和安全性能。
导叶位于叶轮之后，是固定的水力部件，其主要作用有两个，一是把叶轮中的流体均匀地导入压水室中，减少水力冲击，二是将流体的动能转化为压力能，有利于提高整体水力效率。
压水室也是固定的水力部件，其结构形式通常为螺旋形或环形，考虑到特殊性的安全性能要求，核主杲采用了球型压水室，其主要作用是收集从导叶中流出的冷却剂，降低其速度，变动能为压能，输送至出口处。
表1 叶轮和导叶主要参数表2 压水室主要参数叶轮的数据导入ANSYS-BladeGen 之后，如图1所示:a 图为子午面图，可实时修改各点数据，控制流线形状；C 中为包角及进出口安放角随流线分布曲线图，可控制叶片包角及进出口安放角，改变其中一个参数，另一个也会随之变动；d 图为叶片厚度随流线分布曲线图，可精确控制流线上每个点的叶片厚度；所有数据更改均可在b 中三维图中实时显示，并可调整三维图显示方式，可显示单叶片、双叶片或全叶片，也可显示线框图或遣染图。
(a)子午面 (b)模型显示(c)叶片安放角及包角分布 (d)叶片厚度分布图1：叶轮模型生成导叶的数据导入ANSYS-BladeGen 之后，基本与叶轮相似。
如图2所示:a 图仍为子午面图，所不同的是，因为叶轮是高速旋转的，而导叶是静止的，其主要作用是把冷却剂的轴向速度转换为径向速度，所以导叶的子午面图为叶轮子午面的延续；C 图仍为包角及进出口安放角，所不同的是导叶的进口安放角随着叶轮的出口角选定由三角函数关系可以计算求得，而包角与叶轮方向相反，叶轮为顺时针，导叶为逆时针；d 图中仍为叶片厚度；b 图仍为三维视图显示，同叶轮。
数值模拟及可视化技术在旋转水力机械设计中的应用
在泵站及水 电站的设计 、 建设过程 中， 叶轮 、 导叶等旋转水力机械及进 、 出水流道的水力特性直接决定了 泵站及水电站的运行效率 ， 优化旋转水力机械的型线 、 改善叶片之间的流场特性成为提高泵站和水电站性能 的重 要途 径［１ １． 水力机械性能最直接 、 最可靠的研究方法是对水力机械如实型泵或水轮机组 的外特性进行物理模 型试 验． 试验工作历时长 、 投资大 ， 研究工况及组次有限 ， 同时试验观测点据较少也使物理模型试验在提供全流道 精细流场分布方面存在缺陷． 就量测手段来说 ， 目前先进 的 Ａ Ｖ和 Ｐ Ｄ Ｉ Ｖ等精密量测仪器还只能用于研 究流 动机理 、 紊动结构 ， ２ 而在流道型线 、 叶片及导叶体型设计 方面 的应用 尚未见报道 ． 与物理模型试验相比， 数 值模拟技术具有快速 、 便捷 、 成果丰富 、 信息全面和便于进行方案比选等特点＿ 随着计算机三维图形和可视 ３． ３ ＿ 技术的飞速发展以及数值计算方法的不断提高 ， 运用数值模拟及三维可视技术对泵站及水电站内特性 、 叶片 及导叶间流动结构和规律进行全三维精细模拟 ， 对多方案进行快速比选 ， 这一技术 已成为旋转水力机械研究 领域最重要的方法和手段之一 ． 本文以苏州市仙人大港泵站流道型线 、 结构体型及水力性能数值研究为例 ， 建立了泵站流道及复杂过流部件的模型并进行了三维立体可视化处理 ， 同时对不 同运行工况流道全三维流 场进行了数值模拟 ， 模拟结果 以平面与立面相结合的方式展示 ．
Ｖ １３ ｏ ４ ０．４ Ｎ ．
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数 值 模 拟及 可 视化 技 术在 旋 转 水 力 机 械 设 计 中的应 用
， 江苏 苏州 ２５ １ ； ． 海大学水利水 电工程学 院 ， １０ １ ２河 江苏 南京 ２０９ ） １０ ８
泵站常用的三种断流方式比较
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。
泵站出水流道基本流态分析
泵站出水流道基本流态分析摘要：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”[1]。
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[2]。
大型立式泵站三维可视化管理平台开发与应用
大型立式泵站三维可视化管理平台开发与应用赵林章;唐魏;李频【摘要】为了更加直观形象地展示大型立式泵站各建筑物和设备的空间及属性信息,为工程控制运用和管理提供一种更加形象和有效的方法,进行大型立式泵站三维可视化管理平台开发与应用.着重论述了三维数字模型的建立和三维交互技术,并结合实际工程开发了一个能提供漫游式浏览、交互和实时信息查询等功能的三维可视化泵站管理平台.【期刊名称】《江苏水利》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】5页(P32-36)【关键词】立式泵站;三维可视化;三维数字模型;交互;语义;漫游【作者】赵林章;唐魏;李频【作者单位】江苏省泰州引江河管理处,江苏泰州225321;河海大学能源与电气学院,江苏南京211100;江苏省泰州引江河管理处,江苏泰州225321【正文语种】中文【中图分类】TP391.91 概述大型泵站是保障国民经济和社会稳定发展的利民水利设施，具有防洪、抗旱、灌溉等功能，为了泵站的安全稳定运行，需要设置运行小组进行二十四小时不间断的值班运行管理，传统的运行管理方式需要投入比较大量的人力物力，而且不够直观、高效、科学。
随着GIS技术和计算机技术的发展，水利行业越来越多的使用GIS技术，整合GIS与三维可视化技术应用于泵站的管理运行，能够辅助工程技术人员进行分析和管理，提高工程管理的效率与质量，为工程控制运用和管理提供了一种更加形象和有效的方法。
目前对于水利工程的三维可视化研究方面，刘蕾[1]等通过对堤防工程的三维可视化研究，提出根据要素的重要程度，来确定模型建立的精细化程度，并针对不同模型特点采用不同的建模方法；姜钢[2]等以黄河小浪底工程为实例，利用Skyline平台将信息进行整合表达；王士军[3]等通过将三维模型数据与大坝安全数据库相连接，开发了大坝安全的三维可视化系统，能够直观的展示大坝的结构和实时的安全数据；万晟[4]等通过改进三维可视化建模中的图层模型算法，运用City Maker 平台实现了智慧抽水蓄能电厂的建设；钟登华[5]等通过对采集的数据进行仿真计算，将所得数据保存在数据库中，并将空间数据与之相集成，在此基础上开发了引水工程施工的三维可视化平台。
大型泵站出水流道三维流动及水力损失数值计算
流道三维流场及水力损失数值计算的计算区域、 边界条件及 网格剖分等有关问题 ； 出了虹吸式和 给 直管式等两种形式 出水流道三维流场和水力损失数值计算的实例 ， 并与流道模型试验 的流场观察
及 水 力损失 测试 结 果进行 了比较 ． 果表 明 ： 结 两种 形式 出水 流道 内部 三 维流动 以及 水力损 失数值 计
ｌ ｔ ｒ ｌ ｓ ａｅ ｅ ，ａ ｅ ｉ ｕ ｔ ｔ ｄ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｒ ｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｓ ｂ ａｎ ｄ ｂ ｄ ｌｔ ｓ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｎ ｉａ ｅ ｌ ｒ ｎ ｈ ｅ ｕ ｔ ａ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｔ ｏ ｅ ｏ ｔ ｉ ｅ ｙ ｍｏ ｅ ｅ ｔ ｈ ｅ ｕ ｔ ｉ ｄ ｃ ｔ ｓ ｈ ｓ维普资讯 第２ ６卷 第 ３期
２０ ０ ８年 ５月
排
灌
机
械
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ． １２ ３ Ｍａ ０ ｖ２ ０８
Ｄｒ ｉ ａ ｅ ｎ Ｉｒ ａｉ ｎ ａｎ ｇ ａ ｄ ｒｉ ｔ Ｍａ ｈ ｎ ｒ ｇ ｏ ｃ ｉｅｙ
大 型泵 站 出水 流 道 三 维 流 动 及 水 力 损 失 数值 计算
ｔ ａ ｈｅ ｓｍｕ ａ ｅ ｏ ｐａｔ ｒ ｎ ｄｒ ｕｉ ｏ ｓ ｉ ｙ ｅ ｆｏ ｔｅ ｏ ｄ ｉ ａ＇ ｏ ｓｓｅ ｔｗｉｈ ｔ ｏ ｅ ｏ ｈ ｔｔ ｉ ｌ ｔｄ ｆ ｗ ｔｅ ｎ ａ ｄ ｈｙ ａ ｃ ｌｓ ｎ ２ ｔ ｐ ｓ ｏ ｕ ｌｔｃ ｎ ｕ ｔ ｌ ｃ ｎ ｉｔｎ ｔ ｓ ｆ ｌ ｌ ｅ ｈ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｅ ｔ ｈ ｄ ｌｔ ｓ． Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｌｒ ｅ ｐｕ ｉ ｇ ｓａ ｉｎ；ｌｗ ｅ ｄ；ｏ ｔｅ ｏ ｄ ｉ ；ｎ ｍｅｉ ａ ａ ｃ ｌｔｏ ａ ｇ ｍｐ ｎ ｔ ｔ ｏ ｏ ｈａ ｕ ｌ ｔｃ ｎ ｕ ｔ ｕ ｒｃ ｌ ｃ ｕ ａｉ ｎ；３ 一 Ｄ ｏ ｌ ｌ ｆ ｗ；ｈ ・ ｙ
泵站出水流道基本流态研究
泵站出水流道基本流态研究作者：陈国柱来源：《科技创新导报》 2014年第17期陈国柱摘要：随着人们日渐了解与认识水泵装置中出水流道的地位与作用，开始重视对出水流道的研究。
而出水流道的基本形态是研究人员首先要研究了解的部分。
该文针对泵站出水流道的基本形态进行了研究。
关键词：水泵出水流道基本流态中图分类号：TV135.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)06(b)-0027-021 泵站出水流道研究现状及重要性在过去，国内只是对出水流道的水力损失这一块做过实验研究。
而近年来，国内已越来越重视出水流道对泵站装置的作用。
随着研究的深入，对其认识也越来越清楚，提出要对出水流道水力的设计理念与方法进行相关研究的要求。
根据其相关内容，可以知道在泵站装置中，出水流道的相关布置会严重影响到其装置效率，所以出水流道型线的变化必须要具备均匀的特点。
泵站出水流道的设计与泵站进水流道的设计都是整个泵站设计过程中十分重要的组成部分，设计的结果会对企业的社会效益和经济效益产生直接的影响。
随着社会经济的快速发展以及科学技术的日益进步，这些工程设计必须跟着改进及完善。
2 泵站出水流道出水流道基本形态2.1 虹吸式虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一种基本形态，它通过采取破坏真空的方法在水泵机组发生停机的时候进行断流。
这种方法操作简便可靠，能够及时将水流切断，而且水泵机组倒转的时候所需要的时间很短。
虹吸式出水流道可分为上升段和下降段，其中上升段的水流流动很平顺，而且断面越大，水流速度就越小。
上升段与下降段之间存在驼峰段，当水流以极快的速度越过它转向下降段时，在较强的惯性作用下，水流会偏向流道的外侧。
这个时候流道的内侧会出现范围比较大的脱流，而且随着下降段越来越陡，其现象就会越来越严重，最终使得流道出口段产生体积不小的旋涡。
垂直方向上的旋涡会呈现以流道中心为圆心的强弱分布，圆心处最强，而流道边壁处很弱。
而在水平方向上，则没有脱流的现象或者尺度比较大的旋涡。
三维激光扫描仪在泵站流道施工质量控制中的应用
文 献 标 识 码 ： Ｂ
文 章 编 号 ：５ ９ ９ ４ （０ Ｏ １— ０ １ ０ ０ ５ — ３ ２２ １ ）０ ０ ５ — ２
０ 概
述
形 状
ｉ 维 激 光 扫 描 仪 由 地 面 三 维 激 光 扫 描 仪 、数 码 相 机 、后 处 理 软 件 、 电 源 以 及 附 属 设 备 构 成 ， 它 采 用 非 接 触 式 高 速 激 光 测 量 方 式 ，通 过 发 射 和 接 收 激
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Ａｂｓｒ ｔ ｔａｃ ：Ａｓｔ ｅ ｃ ｍ ｐｅ ｔｕｃｕ ｅ ａ ｆ ｃ ｔｃ ｎ ｔｕ ｔｏ ｆｔ ｅ ｅ ｂ ｗ—ｓ ｐｅ ｎ ｅ ｌｗ ｈ ｎｎ ｌｏ ｍｐｉ ｔ ｔ ｎ，ｔ ｅ ｈ ｏ ｌｘ ｓｒ ｔ ｒ ｎｄ ｄｉ ｕｌ ｏ ｓｒ ｃ ｉｎ ｏ ｈ ｌ ｏ ｉ ｈａ ｄ ｉ ｌ ｔｆｏ ｃ ａ ｅ ｆｐｕ ｎｇ ｓａｉ ｏ ｈ
肘 形 进 水 流 道 因 水 流 转 向 有 序 、 收 缩 均 匀 ，无 脱 流 、 旋 涡 等 不 良 流 态 ．在 各 种 形 式 的 立 式 泵 进 水 流 道
中 ， 流 态 较 好 、水 力 损 失 较 小 ，在 国 内 应 用 广 泛 。
光 束 ， 采 集 大 量 数 据 点 ，获 取 地 形 或 者 复 杂 物 体 的
Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｅ Ｄｉ ｅ ｓｏ ａ ｓ ｒ Ｓ ａ ｎ ｒ ｏ １ Ｗ ａ ｎ ｌ ｐ ｉ ｔ ｆＴｈ ｅ — ｍ ｎ ｉ ｎ Ｉ ｃ ｏ Ｌａ ｅ ｃ ｎ ｅ ｎ Ｆ ０ Ｃｈ ｎ ｅ
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第25卷第6期2007年11月排 灌 机 械D ra i nag e and Irri g ati on M ach i neryV o.l 25N o .6N ov .2007泵站流道断面流场的可视化王 业 明(扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225009)摘 要:讨论了断面流场三维可视化的内容,以及实现网格图形的显示方式和实现的过程;讨论了流道出口断面的等速线表达及色彩表达问题。
流道出口断面主要为轴向流速,可简化为二维标量场的问题。
二维标量场的可视化实现常用等速线来处理,即用等值线的抽取算法来实现;编制了流道出口断面等速线图的处理程序。
在AutoC AD 环境下,利用Ob j e ct A RX 开发平台较好地实现了流道三断面流场分布的三维显示;同时用等速线及OpenGL 色彩处理功能展示了流道出口断面流场的特性。
关键词:泵站;流道;流场;断面;可视化中图分类号:TV675 文献标志码:A 文章编号:1005-6254(2007)06-0013-04V isualization of fl ow fields for secti on of passage waysfor pumpi ng stati onWANG Ye -m i n g(College ofC i vil S ci ence and Eng i neeri ng ,Y angzhou Un i versity ,Yangz hou ,Jiangs u 225009,Ch i na)Abst ract :The v isua lizati o n of flo w fie l d s for three sections of pum ping station can verify the property o f passage w ays and g ive usef u l infor m ati o n to i m prove the design .I n this paper ,the three-d i m ensional v-i sualization is rea lized by m aking full use of AutoC AD resource and Ob ject A RX develop i n g f u ncti o n,andthe property of flo w field for outlet secti o n o f passage w ays is presented w ith equal velocity li n es and Open -GL co lor functions .K ey w ords :pu m p i n g station ;passage w ays ;flo w fie l d s ;section ;visua lizati o n 收稿日期:2007-07-03基金项目:江苏省水利重点推广项目(2002091);江苏高校省级重点实验室开放课题(K J S01062)作者简介:王业明(1956-),男,江苏扬州人,教授,主要从事流场可视化及CAD 的研究。
泵站流道进出口及喉部三断面流场的可视化,可检测流道设计性能,是泵站流道数值计算流场可视化的重要组成部分。
其内容既有断面矢量场的表达,也有断面二维标量场显示问题。
泵站流道设计是整个泵站设计的关键部分。
泵站流道优化水力设计,即基于三维计算流场的设计,使流道设计更科学、更合理[1,2]。
方法日趋成熟后将会大大减少模型试验的开支及流场实测的代价[3],但会给计算流场的可视化提出很高的要求。
例如流道进出口及喉部处断面流速分布的显示、流道内部流速及流场的整体可视化等。
作者研究的内容,即泵站流道进出口及喉部断面流速可视化,是流道流场可视化的重要内容,它可检验流道设计性能,具有明显的工程意义。
其可视化的主要内容涉及到矢量场的表达,例如三断面流速的三维显示;又由于流道出口关心的是轴向流速,故可简化为二维标量场。
因此,也同时研究了泵站出口断面二维标量场的显示问题。
1 断面流场的三维可视化流道流场数值模拟的计算结果主要有:网格剖分的坐标数据、单元网格中心流速分布,以及流道几何模型和重要设计参数水力优化设计结果的描述等。
数据预处理的内容通常为:周边网格节点坐标数据文件,周边网格连接方式信息数据文件,单元网格中坐标MAX 及M I N 数据文件,单元网格中心速度数据文件,所有网格节点的坐标数据文件等。
流道断面流场三维可视化的主要内容为:根据流道CFD(Co m putati o na l Fluid Dyna m ics)计算结果及可视化环境的要求,处理及组织其网格节点坐标数据,例如分离出流道周边网格节点坐标数据及流道进口、中间喉部及出口断面的网格中心流速数据等。
对剖分结果的计算网格,用户经常需要以各种显示方式再现,例如视点变换、各种三维操作等,尤其要对三维计算网格再处理,例如显示周边网格,在周边网格的基础上再抽去顶面或前面,以便能清楚地显示流道内部水流流动情况等。
三维计算网格的图形显示,用户虽然可以利用比较成熟的消隐算法,编制程序加以解决,但在Auto CAD 环境下无需用户编制复杂的消隐程序,只要利用AutoC AD 已有的消隐命令H ide 显示即可。
其显示方法是在Ob jec-tARX 应用程序中直接调用3DMESH,3DFACE 或PFACE 命令绘制。
一般使用3DMESH 命令较多,因为它能保证四节点单元无论是否共面都能进行消隐。
以斜式进水流道为例,如果要实现周边网格图形显示的可视化功能,其主要过程如下。
1)重新组织计算网格坐标数据文件,增加每个节点的编号,并使之形成以每个节点坐标,而不是以坐标分量形式的数据文件。
2)根据实现周边网格图形显示可视化功能,从总的坐标数据文件中分离及组织新的数据文件。
图1所示的周边网格的图形显示,要求沿水流方向将邻近单元数据进行组织。
数据文件中共有2928个节点(61个断面,每个断面中有48个节点),而且还要形成一个反映3DMESH 四节点连接规则(例如逆时针)的数据文件,本例文件中共有2880个(48@60)四节点单元。
图1 斜式流道周边网格显示3)编制ARX 应用程序读取两个数据文件中数据,绘制出周边网格图形。
要清楚地显示流道进口、中间喉部及出口断面的网格中心三维流场分布,一方面还要对周边网格进行再处理,例如掀掉其顶部及右侧网格图形;另一方面要用空间直线表示其流速的大小与方向,例如图2所示的肘形进水流道三断面的流场表达。
图2 流道进出口及喉部三断面的流场显示2 流道出口断面流场的等速线表达流道三维计算流场中,流速可分解为轴向流速、径向流速和圆周流速,而泵站流道出口断面主要为轴向流速,故可简化为二维标量场的问题。
二维标量场的可视化实现经常用等速线来处理,即用等值线的抽取算法来实现。
对于二维标量场,其数据往往是定义于某一网格面上的。
计算网格大体可分成两类:正规化网格(regular gri d )和非正规化网格(irregu lar g ri d )两类。
前者几何连通性是隐含的,例如常见的正交网格;而后者显式定义了网格单元的几何属性,例如常见的三角片网格,结点位置、边、单元都要显式定义。
泵站流道计算流场目前采用较多的是正规化网格。
根据网格类型的不同、等值线分布及精度要求的不同,等值线的抽取方法也不一样,大体可分为两大类:网格无关法和网格序列法。
网格无关法适用于某一个值的等值线穿过整个网格单元中较少单元的情况,以已知的若干等值线点为前提,利用它们的局部几何性质,求取等值线点的几何位置。
主要有3种方法:步进法、适应法和递归法。
步进法算法的关键是下一个等值点方向的确定和起始点的求取;适应法用一种对等值线初步估计逐步精化的方法来求取等值线;递归法则是利用Bezier 函数或B 样条函数的一种特定的方法。
分析14 排 灌 机 械 第25卷流道出口断面等速线,它具有的特性为:等速线不封闭,某一值的等速线其起始点不知,且需遍历整个网格寻找。
因此,网格无关法算法不适合处理流道出口断面的等速线,而网格序列法能满足流道出口断面等速线处理的要求。
选择网格序列法作为等速线图的抽取算法,出现二义性时用文献[4]提出的判别方法加以判断。
在此基础上编制了流道出口断面等速线图处理的程序。
程序主要包括下列几个模块。
1)从三维计算流场中分离出口断面单元中的速度值并保存在数组中。
2)每个计算单元中是否存在等速线的判别。
设某一等速线的值为v t ,通过与4个角点速度值v 1,v 2,v 3和v 4比较,可确定该单元中是否存在等速线。
如果v t 皆大于或皆小于4个角点的值,则该单元中无等速线通过;否则说明该单元中存在等速线。
3)单元中等速线插值模块。
如果判断出某单元中存在等速线,则进一步判断单元的哪条边上存在等速点。
等速点的数值可通过线性插值的方法近似求得。
4)二义性连线判别模块。
如果等速线插值模块中4条边上都存在等速点,见图3所示,可通过二义性连线判别模块确定该单元中等速线的走向。
图3 等值线连线二义性5)等速线绘制模块。
等速线的绘制有两种方式:一种方式将各单元中符合某一v t 的所有等速点用线段连接;另一种方式生成光滑等速线,数学模型可用插值或用逼近方法,例如AutoC AD 中提供的圆弧样条插值模型或B 样条逼近模型[5]。
但泵站流道出口断面等速线图一般采用基于断面平均流速的相对流速表示方式,其表现出来的等速线之间的间隔较小;若采用光滑等速线,有时反而会出现等速线相交现象,故等速线以第1种方式输出为宜。
基于网格序列法等速线抽取算法和等值线二义性连线判别方法及上述程序各模块绘制的工程实例图见图4。
其进水流道的各断面均匀剖分成12@12个四节点单元。
从输出的等速线图上可了解流道出口断面流速分布及变化趋势,不合理时要调整设计参数重新设计,直至满意为止。
图4 流道出口断面等速线图绘制实例3 流道出口断面流场的色彩表达利用色彩表达标量场是一种直观性很强的可视化方法,尤其适合于描述按一定规律渐变且均匀分布的标量场,而泵站出口断面的流场就属于这样一种流场。
在色彩表达及处理功能较强的几个软件中,作者选择了OpenGL,利用其较强的色彩处理功能绘制流道出口断面流速分布图,现简述如下。
实现W i n do w s 下OpenGL 的应用程序是通过调用OpenGL 函数、W indo w s 的二维图形的绘图接口(GD I)函数及其他一系列函数来实现的。
OpenGL 的绘图方式与W indo w s 的一般绘图方式是不同的。
W i n dow s 是用GD I 绘图,即在W i n dow s 的设备描述表(DC )中进行,而DC 存储了各种图形操作状态变量;OpenGL 是一种状态机制,是通过绘制描述表(RC )绘图的,RC 中存储了OpenGL 的一系列状态命令。