泵站进水池中涡旋结构及尺度效应的实验与模拟研究

发布时间：2020-06-01 13:18

【摘要】：进水池是泵站工程中重要的组成部分,其流态及水力特性对水泵性能有着重要的影响,不良的流态往往伴随着涡旋等水力现象的出现。进水池中可能出现的涡旋,一般分为自由表面涡旋和液下涡两种,这些高度不稳定的涡旋是影响泵站运行效率及稳定性的重要因素。因此研究进水池中的流动规律及涡旋的生成原因具有重要意义。为研究泵站进水池中的涡旋,采用流体体积(VOF)方法及嵌入式大涡模拟(ELES)方法对进水池中的流动和相关涡旋进行数值模拟。系统分析ELES湍流模型所采用的网格,并将数值模拟结果与PIV拍摄的关于平均速度和涡量场的实验结果进行了比较,说明本模拟方法可以用来进一步深入探讨二阶湍流参数,如湍动能和雷诺应力。然后根据自由表面的时空特征来表征涡旋演化的过程,通过ELES模拟结果利用湍动能和雷诺应力揭示涡旋周围的各向异性湍流结构以及动量的传递的过程,对进水池中涡旋形成和演化的基本机制进行了深入的探讨。前人针对泵站进水池中的涡旋问题进行了大量的研究,但关于涡旋实验中可能存在的尺度效应现象尚未得出统一的结论。当模型的雷诺数小于临界值时,就有可能发生尺度效应,导致模型实验“失真”。前人寻找发生尺度效应的临界雷诺数时,基本上都是对原型按照通用的涡旋模型相似准则进行比例缩放进行水工实验,这种方法往往要设计不同缩放比例的模型进行实验研究。本文以上述ELES与PIV方法对比结果为前提,通过改变运动粘度改变雷诺数,对相同模型相同模拟条件下的泵站进水池涡旋进行模拟研究,对比了不同雷诺数环量、切向速度大小,发现尺度效应在Re=220,00的模拟工况时发生,说明粘滞力开始起作用。针对传统泵站一般遵循ANSI/HI标准设计的消涡装置具有结构复杂、建造周期长、成本高等缺点,本文提出一种直接安装在吸水管上的十字消涡装置,为了验证本文提出的消涡装置对进水管周围涡旋的抑制作用,以某火电厂补给水泵站物理模型为实验平台,应用粒子图像测速(PIV)技术开展了模型实验研究。在满足模型要求的临界淹没深度前提下,选取两种流量(大、小)工况测试该消涡装置的效果。通过截取距离自由表面和壁面不同距离截面的PIV测量的涡量流线图对比了消涡装置对各种泵进口涡旋的影响。实验结果表明该消涡装置能够阻止壁面和自由表面产生的涡旋吸入泵内,对底涡的作用不大。
【图文】：

自由表面

1 涡纹 2 染料涡 3 气核或气泡（b）液下涡图 1-1 自由表面和液下涡的分类Fig.1-1 Classification of free surface and subsurface vortices1.3 涡旋的危害众所周知，水电站进水口或泵站进水池中应尽量避免自由表面涡的形成，涡旋对水泵机组的性能及寿命有着显著的负面影响[5][11][12]。涡旋被吸入吸水管会对水工结构和水力机组造成下述一系列危害：1）连续吸入涡会产生振动和降低泵流量，连续吸入涡进入吸水口时增加了阻力又减小了过流面积[13]；2）不均匀的流动状态产生夹带空气的自由表面涡[14]会降低透平[15]或者泵[16]性能；3）在特定条件下的附壁涡会引起振动，导致机械部件过早失效[17]；

标准设计,进水池

行效率和安全。为了保证水泵处畅、流速均匀、流态良好、不出普遍。为了预防和减弱这些危害但是前池、进水池的结构设计往往吸入口处不出现吸入涡旋，因此涡功能的进水池结构。目前，国内流动能量损耗少，流场流线顺滑量大、建造周期长和成本大的缺计，这种方法虽然周期缩短成本面，同时无法消除表面涡，因此必计是否能够避免自由表面涡的产规范 ANSI/HI 标准规定的消涡结
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV136.2

【参考文献】