泵站前池流场的数值模拟

1、1.前言泵站前池是把引渠和泵房合理衔接起来的重要进水构筑物,其作用使得水流均匀平顺地从引渠流入进水池,为泵站运行创造良好的水力条件。前池设计不当时,会在池中产生离壁、回流和漩涡,不仅会增大能量消耗而且还会恶化水流条件,致使水泵效率降低,甚至引起水泵汽蚀、机组及管道振动,产生噪音,使机组无法正常运行,影响机组的使用寿命。在多泥沙的水源泵站,池内不良的流态还会引起冲刷及淤积。随着数值计算技术的发展,采用数值模拟来预测水流流动的状况已成为一种趋势,在此,本文采用二维数学模型对泵站前池流场进行模拟。2.泵站前池水流计算的数学模型2.1前池流态的控制方程泵站前池水流满足雷诺平均动量方程和连续方程,并且为

2、不可压流动。连续方程:坠u i 坠x i=0(i=1、2(1雷诺平均动量方程:坠u i 坠t +u i 坠u i 坠x j =f i +1坠p 坠x i +坠p 坠x j (+t(坠u i 坠x j +坠u j 坠x i(i=1、2(2式中,f i 单位质量力,表示液体的密度,表示分子粘性系数,t紊动粘性系数,u j ,u i 各方向的流速。由于上式控制方程中t 是未知的,其不能组成封闭方程组,在此引入标准的模型。标准的方程由紊流动能的输运方程和紊流能量耗散率的输运方程构成。此种模型的紊动粘性系数为t =c 2(3要确定式中紊流动能和紊流能量耗散率时,用和的两个输运方程1如下:坠坠t +u j

3、 坠坠x j =坠坠x j (+t 坠坠坠x j +t u i 坠x j (u i 坠x j +u j 坠x i+坠坠t+u 坠坠x =坠坠x (+t 坠坠坠x +c 1t u i 坠x j (u i 坠x j +u j 坠x i -c 22c 、C 1、C 2、为经验常数,可实验求得,朗德尔(Launder 和史帕丁(Spalding 建议的常数值2,列如下表1-1表1-1-模型中的常数数值2.2边界条件进口断面u=u 0,=0(u 0、v 0实测流速,k=0.06u 02,=0.06u 03/b ,b 为渠道进口断面宽度;壁面u=0、v=0、k=0、=0。2.3前池的计算模型和处理本次研究

4、是在假定泵站各设计运行的状况下计算仿真。 采用了泵站安装 4台机组,单泵设计流量1m 3/s 。泵站按设计流量运行时引水渠末端水位为1.6m ,流速为1m/s 。为了获得合理的出口速度,建立数学模型时,从引水渠末端向上延长4m 的平直段,假定前池出口为水泵的吸水口,在计算区域内布置了4256个网格点,计算网格如图2。图1计算前池模型图a =28°单位(m 图2计算网格图2.3方程的离散方法a e u e =a nb +u nb +b +(p p -p e A e(3其中:u nb 是u e 的临点速度(图1中的u ee 、u n 、u w 、u s 类似的,对v n 控制容积作积分得

5、:a n u n =a nb nb +b +(p p -p n A n(4图3u e 的四个临点(u e -u w y +(n -s x =0(52.4离散方程的求解采用有限控制体积法将方程离散化,计算网格采用交错网格,将压力p 、紊动能、紊动能耗散率布置控体中心,速度矢量布置于控制体表面。计算方法采用SIMLPLE 算法,为了迭代过程稳定收敛,离散方程采用欠松弛技术迭代求解。计算步骤如下:首先假定初始压力场,用它求解动量方程得出一个速度场,然后建立每个单元的连续性误差,求解压力修正方程,调整压力和流场,获得满足连续方程的解,此时用新求解出的压力场作为初始压力,重复上述过程直到得到收敛结果。3

6、.计算结果和分析3.1前池扩散角对前池流态的影响正向进水前池中进水管和前池的中心线在一条直线上,前池的过流断面是逐渐扩散的,池中的水流方向与进水池的水流方向一致,流速分布较为均匀。这种前池型式简单,施工方便,池中水流比较平稳。前池扩散角a 是影响前池流态及尺寸大小的主要因素,其受到天然扩散角的限制果。如果a 取得较小,虽然不会出现水流的脱避,但是池长增加,工程量也因而增加;反之,a 值过大,虽然可以减小工程,但是池中水力条件恶化,影响水泵进水。为了保证前池良好的水流流态和在工程量省的原则下,确定前池扩散角a 极为关键。因此,为了模拟扩散角对泵站前池的流态的影响,我们做了a 从20°4

7、0°不同角度的模拟计算。(a前池速度矢量图(b断面垂线平均速度分布图图4扩散角a =20°开四台机组时的计算结果c c 1c 20.091.441.921.01.3泵站前池流场的数值模拟黄九常1刘伟2(1.南水北调东线山东干线有限责任公司山东济南250013;2.济南市田山电灌管理处山东济南250100【摘要】采用标准-模型和SIMPLE 算法,对泵站前池水流流态进行了数值模拟。根据模拟前池水流的速度矢量图和断面垂线速度分布分析了泵站前池型式、扩散角与天然扩散角的关系和开机决策对泵站进水流态的影响,所得结论与泵站前池的设计理论十分吻合,这不论对泵站的设计还是改造都具有指导意

8、义。【关键词】泵站;前池流态;前池型式;天然扩散角770 (a前池速度矢量图(b断面垂线平均速度分布图图5扩散角a =28°开四台机组时的计算结果 (a前池速度矢量图(b断面垂线平均速度分布图图6扩散角a =40°开4台机组时的计算结果 图4、5、6分别为设计流量下前池设计扩散角取20°、28°、40°时速度矢量图和断面垂线速度分布图。从这些图中,可以看出:在四台机组全部开机运行时,扩散角a =20°与a =28°计算结果池内流态方面看考虑达到了泵站设计规范的要求,前池内的两边没有任何的脱壁、回流或漩涡出现,水流的均匀扩散达

9、到了充分发展;扩散角a =40°时,水流进入前池脱离了池壁直冲进水池达到水泵吸水口,然后向两侧扩散形成回水区。3.2开机决策对前池流态的影响 (a前池速度矢量图(b断面垂线平均速度分布图图7扩散角a =28°开1#和2#台机组时的计算结果 (a前池速度矢量图(b断面垂线平均速度分布图图8扩散角a =28°开1#和4#台机组时的计算结果为了研究泵站开机运行方案对前池流态的影响,对泵站的不同开机情况进行了计算。图7、8为计算同开1#及2#台机组和1#及4#台机组时前池内水流流态的速度轮廓图,速度矢量图和断面垂线速度分布图。从图中可以看出,同开1#及2#台机组时,在池内

10、靠近4#机组池边形成比较大的回流及漩涡区,而且是充分发展的,在没有运行的机组进水池内会产生速度很小的漩涡。从不同开机状况的断面垂线平均速度分布图中可以明显看出,在池内同一横断面的水流分布是开对称机组时的比开非对称机组时的均匀稳定的多。3.3侧向前池和正向前池的流态模拟计算对比在同样的设计流量和全开机组的条件下,模拟了侧向进水前池的水流流态。图9便为计算前池中的速度轮廓图和速度矢量图。引水渠中的水进入前池后直接冲击到对面的墙壁,被强行改变了流速方向,在水流的右边产生了一个很大的回流漩涡区,严重的影响了水流的流态,同时流进进水池的水流也不稳定,自然水泵吸水口处的流量也不同。在此,由图9的前池内水流

11、流态的速度矢量图和断面垂线速度分布图得知,正向进水前池内的水流流态比侧向前池内的流态明显稳定的多,回水区也较小。(a 前池速度轮廓图(b 前池速度矢量图图9侧向进水前池开4台机组时的计算结果4.结语4.1本文主要做了前池扩散角在20°-40°范围内的不同a 值时的情况,前池流态分比较稳定并且扩散角从40°-20°时前池流态分布相对更加均匀。在设计泵站前池扩散角时首先要考虑前池水流天然扩散角,前池扩散角一定要小于天然扩散角。虽然在上述条件下前池扩散角越小流态相对越好,但是随着扩散角减小工程量增加。因此务必考虑这两个条件设计出经济优化的扩散角。4.2回流区产

12、生的原因主要是进水不对称引起的。为了得到比较稳定的前池水流时,最好对称式开起水泵机组。从而可以避免大量回流区的产生。4.3正向进水前池的水流流态比侧向进水前池的流态稳定、而且分布更均匀。如果在某种特定的环境要采用侧向前池时,为了减小回流区和漩涡,务必增设整流措施。【参考文献】1陶文铨编著,数值传热学(第二板【M 】,西安交通大学出版社,2002年.2Launder B E and Spalding D B.Mathematical Model of Turblulence .London:Academic Press ,1972.责任编辑:翟成梁科(上接第745页2.4高速公路景观绿化的生态性

13、生态是物种与物种之间的协调关系,是景观的灵魂。也是国土绿化的重要组成部分,它反映公路建设系统工程的水平。景观绿化能使本来生硬、单调的公路线型变得丰富多彩,创造出许多优美的景观,能使裸露的填方路基的边坡和挖方路堑的边坡披上绿装,使新建公路对周围环境景观的负面影响降低,能使高速公路两侧的自然及人文景观资源与环境景观有机结合、协调,使公路构造物巧妙地融入到周围的环境之中,给高速公路的使用者们提供优美宜人、舒适和谐的行车环境。同时还能吸尘防噪,减轻污染,净化和改善大气环境,固土护坡防止水土流失的作用。因此,在高速公路景观设计中,注重这一生态景观的体现。通过植物的多层次配置,乔灌花、乔灌草的结合,分隔竖

14、向的空间,创造植物群落的整体美,同时通过层次美、季相美,从而达到最佳的滞尘、降温、增加湿度、净化空气、吸收噪音,美化环境效果。3.结语美国著名学者培根曾说:“由于设计是一件艺术品,因此对身临其境者在每一瞬间,从每个视点产生的印象,必须不仅是连续的而且是和谐的。”高速公路道路系统的景观绿化设计要力求达到与周边建筑、环境定位、人文特色的相互融合,构建一个“和谐的共生体系”,把“以人为本”的设计理念真正落实到在景观建设之中。【参考文献】1刘景星,邢军.城市道路景观设计理论与方法,哈尔滨建筑大学学报J ,1997,30(1:95-100.2崔颖超,王勤.高速公路景观绿化设计,交通与社会J ,2002(12:44-45.3赵样平.浅谈人的需求在高速道路线形和景观设计中的运