[发明专利]高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法

说明书

技术领域

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及大流量泵站进水流道三维形体过流面的设计方法，特别适用于高性能大流量泵站的肘形进水流道、钟形进水流道、簸箕形进水流道、斜式进水流道和竖井式进水流道。

背景技术

大流量泵站广泛应用于我国平原地区的水资源配置、农业排灌、水环境治理和城市防洪排涝等重要领域。进水流道位于泵站的前池与水泵叶轮室之间，是大流量泵站关键的水流通道。进水流道三维形体过流面的水力设计对水泵进水流态的影响很大，进水流态不良不仅会降低水泵的能量性能、空化性能，还有可能产生威胁水泵机组稳定运行的吸气涡带或水下涡带。进水流道三维形体过流面传统的设计方法是基于流道断面平均流速的几何作图法，所设计的进水流道三维形体过流面水力性能的技术指标较差，不能保证大流量泵站安全、稳定和高效运行。

发明内容

本发明的目的就是针对上述方法的缺陷，提供了一种高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法。本发明的特征是，对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；采用以进水流道三维形体过流面水力性能技术指标达到最优为要求的设计方法；将影响进水流道三维形体过流面的流态及水力性能指标的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸，并以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建进水流道三维形体过流面；采用单因素分步优化的方法对各种型式进水流道的I级尺寸和II级尺寸进行优化调整；对每种型式进水流道进行系统的三维流场数值仿真和优化计算，得到I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围。应用本发明设计的进水流道具有水流平顺均匀无不良流态、水力性能优异等优点，可保障水泵机组安全、稳定和高效运行。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

1.本发明适用于多种型式的进水流道，特别适用于高性能大流量泵站的肘形进水流道、钟形进水流道、簸箕形进水流道、斜式进水流道和竖井式进水流道三维形体过流面的设计；

2.应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站进水流道进行三维流场数值仿真，为掌控进水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；

3.根据第2步三维流场数值仿真的结果计算所述进水流道三维形体过流面设计工况下述主要水力性能的技术指标：

(1)进水流道出口断面流速分布均匀度

式中：V_u为进水流道出口断面流速分布均匀度，％；

u_ai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；

为进水流道出口断面各单元的平均法向流速，m/s；

m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；

(2)进水流道出口断面水流平均角度

式中：为进水流道出口断面水流平均角度，°；

u_ti为进水流道出口断面各单元的横向流速，m/s；

u_ai为进水流道出口断面各单元的法向流速，m/s；

m为进水流道数值仿真的出口断面的单元总数；

(3)进水流道水头损失

Δh＝E_{进水流道进口断面}－E_{进水流道出口断面}

式中：Δh为进水流道水头损失，m；

E_{进水流道进口断面}为进水流道进口断面的能量水头，m；

E_{进水流道出口断面}为进水流道出口断面的能量水头，m；

上述水力性能的主要技术指标通过系统的数值计算和模型试验研究得到；

4.在研究进水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响进水流道三维形体过流面的流态及水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸；较宽松的I、II级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但会增加泵站的土建投资，故需兼顾提高进水流道水力性能和控制泵站土建投资两方面的要求，提出合理的尺寸；I级尺寸对泵站土建工程量和进水流道水力性能影响都很大，各种型式进水流道的I级尺寸均为进水流道进口断面至出口断面中心点的水平距离(以下简称进水流道长度)、进水流道进口断面宽度(以下简称进水流道宽度)和叶轮中心线至进水流道底部的垂直距离(以下简称进水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对进水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的进水流道具有不同的II级尺寸；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建进水流道三维形体过流面；