160中國農(nóng)村水利水電●2011年第1期文章編號(hào): 107-2284(2011)01-0160-04南迪普電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽水流特性三維數(shù)值模擬李禮,張根廣,華 維娜,郭紅浩(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100)摘要:電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽的水流特性對(duì)水泵的工作狀況和安全運(yùn)行有著極其重要的影響。以k-t湍流模型封閉Reynolds方程,采用VOF法追蹤自由表面及SIMPLE算法求解方程組,對(duì)南迪普火電廠循環(huán)泵站進(jìn)水流槽進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明,吸水室水流平穩(wěn),流速分布基本均勾、對(duì)稱,流道內(nèi)水面線及吸水室中流速分布與實(shí)測值吻合良好;吸水喇叭口與吸水管中水流平順,流速分布均勻、對(duì)稱。以物理試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬,使得數(shù)值模擬值真實(shí)、可靠，進(jìn)而詳細(xì)地分析了喇叭口及吸水管的水流特性,對(duì)電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽的設(shè)計(jì)有一定的參考作用。關(guān)鍵詞:進(jìn)水流槽;教值模擬; VOF模型;吸水室;吸水喇叭口;水流特性中團(tuán)分類號(hào):TV598.1+ 61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Aalizablekrt模型對(duì)進(jìn)水池漩渦的位置和形狀預(yù)測比較準(zhǔn)確。0前言朱紅耕叫等數(shù)值模擬了泵站進(jìn)水池的流場，計(jì)算得到水泵吸水電廠循環(huán)水泵取水口及進(jìn)水流槽一般采用開敞式[川,開敞管內(nèi)的渦角,并利用模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算值.鑒于上式流槽中的水流-般均存在著漩渦,漩渦不僅對(duì)泵的運(yùn)行效率述分析,作者擬在物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用三維數(shù)學(xué)模型，有顯著影響,而且還經(jīng)常引起水泵汽蝕、振動(dòng)及噪音等物理現(xiàn)對(duì)南迪普火電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽水流特性進(jìn)行三維數(shù)值象,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致水泵不能正常運(yùn)行(2- 4。因此,為了使電模擬及驗(yàn)證,進(jìn)而分析預(yù)測吸水喇叭口和吸水管中的水流廠的設(shè)計(jì)安全、合理、可靠，目前,通用的方法是,通過模型試驗(yàn)特性。和數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)電廠泵房進(jìn)水流槽吸水窒及吸水管進(jìn)行設(shè)1工程概況計(jì)優(yōu)化改造。鑒于物理模型試驗(yàn)花費(fèi)大、耗時(shí)長及滯后性,數(shù)學(xué)模型花費(fèi)少、耗時(shí)短和超前性等特點(diǎn),以及測量完整的流場南迪普火電站位于巴基斯坦拉合爾地區(qū)U. C C運(yùn)河?xùn)|存在技術(shù)上的困難,很難給出流槽及吸水管內(nèi)流場的完整信側(cè),工程冷卻水源為U. C. C運(yùn)河地表水,冷卻水系統(tǒng)擬采用直息.而對(duì)于三維數(shù)值模型卻可以給出流槽及吸水管內(nèi)部流速流加再循環(huán)供水方式。本期工程共設(shè)一座取水泵房,泵房內(nèi)布場的完整信息,況且,隨著敷值模擬方法的日益成熟和計(jì)算機(jī)置3個(gè)進(jìn)水流道，每個(gè)流道布置1個(gè)集沙井,1個(gè)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng),1硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使得利用數(shù)學(xué)模型模擬復(fù)雜的流動(dòng)成為臺(tái)取水泵(流量為6.23 m/s)[D。因3個(gè)流椿相互獨(dú)立,因此可能,并且越來越多的學(xué)者已開始應(yīng)用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)泵站進(jìn)選取1個(gè)流道作為分析對(duì)象,其縱剖面體型見圖1(圖中高程單水流道進(jìn)行分析計(jì)算,取得-些研究成果。高秋生()率先在國位為m,其余單位為mm).假定流道進(jìn)口0 m高程平面中點(diǎn)為內(nèi)采用三維衰流模型對(duì)泵站前池進(jìn)行了數(shù)值模擬,同時(shí)解決了坐標(biāo)原點(diǎn),X軸正向?yàn)樗鞣较?Y軸正向垂直向上,Z軸正向自由水面和有壓水流的流動(dòng)計(jì)算問題。孫東坡[0等對(duì)1 000符合右手螺旋法則。MW電廠循環(huán)水進(jìn)水流道進(jìn)行了三維水流數(shù)值模擬,提出了保2數(shù)值模擬證水泵正常運(yùn)行的流道設(shè)計(jì)控制尺寸,同時(shí)分析討論了進(jìn)水流道數(shù)值模擬的計(jì)算參數(shù)及網(wǎng)格處理方法。叢國輝”等采用32.1控制方程種湍流模型對(duì)進(jìn)水池流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,對(duì)比分析表明,Re中國煤化工壓縮水流流動(dòng)問題，收稿日期:2010-04-08可采用MYHCNMH(二雙方程紊流模型封閉Reynold動(dòng)量方程、k方程.e作者簡介:李禮(1984-).男 .研究生,研究方向:水工水力學(xué). E方程和相體積分?jǐn)?shù)a.方程等。milnyslebli@163. com.南迪普火電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽水流特性三維敏值模擬李 禮張根廣華維娜161sL.50。2.30腳墻旋轉(zhuǎn)速網(wǎng)吸水管-集沙井s27.0d喇叭管-8.50晝?nèi)切巫铦櫚迦?進(jìn)水流縱劑面圜連續(xù)方程:以進(jìn)出口流量差值作為計(jì)算是否完成的依據(jù),當(dāng)精度小于要+04=00. 5%時(shí),認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。2.4邊界條件動(dòng)量方程:(1)進(jìn)口邊界。進(jìn)口邊界分為水流進(jìn)口和空氣進(jìn)口,水流304+3進(jìn)口定義為流速入口條件,相應(yīng)的紊動(dòng)能k和耗散率ε可由下a ar,(owun)=- 器+是[(w+w)[譏+增]]列經(jīng)驗(yàn)公式得出[10]:k方程:al(0k)+3(oy,k)=是{「u+生]路}+G+pek= 0.003 75u,c= o.42Lau式中:u為進(jìn)口流速;L為親流特征長度。e方程:空氣進(jìn)口采用壓力邊界條件,進(jìn)口壓力為大氣壓。2+ 3(,.) =錄{[*+告]器}+CG-Co號(hào)(2)出口邊界。出口分為水流出口和空氣出口,水流出口式中;為時(shí)間;u和x,分別為速度分量和坐標(biāo)分量ip和μ分為負(fù)壓,空氣出口為大氣壓。別為密度和分子黏性系數(shù);P為修正的壓力:pu為素流黏性(3)固壁邊界條件。壁面采用無滑移邊界條件,在壁面處采用壁面函數(shù)。系數(shù)。為了能夠有效地求解自由水面問題，在ke紊流模型中引3計(jì)算結(jié)果與分析人求解自由面的流體體積分?jǐn)?shù)法(VOF).如果用aw表示水的3.1水面線體積分?jǐn)?shù),則氣體積分?jǐn)?shù)as可表示為:ao=1-aw.在一個(gè)單本文選擇正常水位( - 1.00 m)運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬。元中,水體積分?jǐn)?shù)有三種情況,即aw =0,1或介于0和1之間，在該運(yùn)行工況下,實(shí)體流道模型中流速較小,水面位置清晰,量分別與氣、水和水氣混合界面三種情況相對(duì)應(yīng)。水氣混合界面測比較精確。數(shù)值模擬所得的水面是- -個(gè)由水到氣過渡的界的跟蹤可通過求解下面的連續(xù)方程來完成:面,作者提取擼氣濃度為50%的水面線與模型實(shí)測值比較,見c+u驗(yàn)=0圖2.可以看出,流道中水位平穩(wěn),計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好。根據(jù)aw的值即可確定自由水面位置.-0.2.2計(jì)算區(qū)域 與網(wǎng)格劃分南迪普電廠泵站進(jìn)水流槽長34. 2 m,寬4.4 m,高10 m,包+物理試驗(yàn)甘數(shù)值模擬括集沙井.旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、M型導(dǎo)流墩，體型復(fù)雜。為了減小計(jì)算-25量,并滿足計(jì)算精度要求,將模型劃分為幾個(gè)區(qū)城,規(guī)則區(qū)域采10T5r202530 5流道長度/m用六面體網(wǎng)格,不規(guī)則區(qū)域采用混合網(wǎng)格，吸水喇叭口與吸水管附近網(wǎng)格局部加密,水面線附近應(yīng)用了fluent自適應(yīng)網(wǎng)格加圈2流槽縱剖面水面線比較密功能。網(wǎng)格單元大小在0.2~0.3 m之間,網(wǎng)格數(shù)量約為3.2吸水室中流速分布2. 76X10*個(gè)。在水工模型試驗(yàn)時(shí),在吸水喇叭口中心線上游4.8 m處布.2.3數(shù)伉解法置了一個(gè)流速測驗(yàn)斷面,在該斷面上自左到右依次布置了5條控制方程組可寫成如下通用形式:垂線,數(shù)學(xué)模型也分別提取了該斷面相應(yīng)垂線的流速值與實(shí)測++2(wy)=是(v蓋)+s,資料進(jìn)中國煤化，工十算的各垂線流速分布式中:φ為通用變量,如速度、紊動(dòng)能等;為變量$的擴(kuò)散系吻合良YHCNMHG數(shù)值大小也與實(shí)鍘值數(shù)iS$為方程的源項(xiàng)。速度與壓力耦合采用修正的SIMPLE綜上所述流槽內(nèi)水面線及吸水室中流速分布與實(shí)測值吻算法處理,為減少數(shù)值擴(kuò)散,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式。合良好，說明敷學(xué)模型計(jì)算結(jié)果是可信的。162南迪普火電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽水流特性三維數(shù)值模擬李禮張根廣華維娜等-05-+物理試驗(yàn)-0.5+物理試驗(yàn)-o+物理試驗(yàn)1.5- ↑士數(shù)值模扣.1s."士數(shù)值模擬15個(gè)士數(shù)值模擬-1.5.入( 士數(shù)值模擬 -1.s)士數(shù)值模擬25-25-25--2-3g-35富45國4.5-55-S.7.5|-8.549-0.4-0.20 0.20.4-04-0200204 -0.4-020 0.20.406測線1-流速ims')測線2:流速/(ms'y .測線3-流速/m-s'y湖線 4.流速(ms1)測線5-流速(ms')圖3吸水室垂線流速分布3.3吸水喇叭口 及吸水管中水流特性分析面流線圖。由圖可知.喇叭口附近水流平順，無脫壁回流產(chǎn)生;水泵吸水口不良水流流態(tài)將引起水泵振動(dòng),氣蝕.部件磨管內(nèi)流線順直.流態(tài)平穩(wěn)，與模型試驗(yàn)觀測的現(xiàn)象- - 致。損及運(yùn)行效率降低等不良現(xiàn)象,并直接影響水泵運(yùn)行的有效圖6給出了高程-7. 70 m截面不同角度管內(nèi)軸向速度分性、安全性和穩(wěn)定性。不利的水流流態(tài)可歸納為三類:-是漩布情況?？梢钥闯?不同角度軸向速度沿管徑分布基本- -致，渦.包括表面漩渦與水下漩渦。當(dāng)流道設(shè)計(jì)不當(dāng)或吸水室水位均以軸線呈對(duì)稱分布。圖7為高程-7.09 m截面45°線管內(nèi)過低時(shí).水泵吸水室水流就會(huì)形成漩渦。二是水泵吸水喇叭口軸向流速分布情況。由圖可知,因吸水喇叭口管徑大,所以進(jìn)喉部斷面流速分布不均勻，從而造成水泵葉輪受力不均,進(jìn)而口斷面流速小:在其后管道中,管內(nèi)流速增大,且流速分布也趨引起水泵振動(dòng)和部件磨損。三是喇叭口前的漩流。漩流是造于一致。成泵運(yùn)行負(fù)倚增大及引起水泵振動(dòng)的潛在因素”。2.圖4、圖5分別給出了吸水喇叭口及吸水管縱剖面和橫截?0-45°0女a(chǎn)135*°is0.01.3管徑徑向/m圖6高程-7.7 m(喇叭口)截面軸向流速分布團(tuán)3..2.3i 20f圖4喇叭口及 吸水管縱剖面流線圖母-550m' 10-of0.5亡-7.70m95.5管徑徑向m圈7 45‘線高程 -7.09 m截面軸向流速分布團(tuán)圖8為高程-5.5m截面各角度線上X向切向流速分布情況。由圖可見，各角度線上X向切向流速分布基本呈原點(diǎn)對(duì)稱,流速量值均在0.05 m/s以下,并且,各角度線上X向切向中國煤化工5”線和135"線上切向流速的完整的旋流或渦流。:YHCN M H G對(duì)稱.水流平順，無分.流和回流現(xiàn)象;吸水管內(nèi)水流流速分布也均勻?qū)ΨQ，流線順直，圈5喇叭口及吸水管橫截面流線圍流態(tài)平穩(wěn),不存在完整的旋流或渦流。南迪普火電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽水流特性三維敏值模擬事 禮張根廣華維娜等1630.06古a=0° ◆o-45°參考文獻(xiàn):+=90”甘-o=135".04-[1]國家電力公司電 力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流遭及其布置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(試行)[S]. 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