一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法与流程

本发明属于水利工程
技术领域：
，具体是一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法。
背景技术：
：前池作为衔接进水池和引渠的水工建筑物，主要起平顺扩散水流的作用，其中前池扩散角的大小直接影响到前池内水流流态。扩散角设置不合理易产生回流和旋涡等不良流态。根据规范，前池扩散角α的取值应在20°～40°之内。城市排水泵站等工程，由于场地布置和工程结构特点的原因，有压涵管进水造成主流集中，扩散角过大难以避免，均会导致出现脱壁回流，进一步压迫主流，造成流量分配不均等问题。目前，cfd技术发展迅速，能够高效模拟精细流场，对研究水流流动特性具有推动作用。本发明根据前池结构特点，采用数值模拟与模型试验相结合的方法，提出一种楔形导流墩，并设计合适的导流夹角β、长度l。来改善城市排水泵站前池正向水流流态，抑制脱壁回流产生，改善水泵进口条件，进而提高进水流道的效率。技术实现要素：本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩及其研究方法。目的在于改善城市排水泵站前池正向水流流态，在城市排水泵站正向进水前池内加楔形导流墩，抑制脱壁回流产生，改善水泵进口条件，进而提高进水流道的效率。本发明的目的是这样实现的：一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩，其特征是，该楔形导流墩为顶面倾斜布置的三棱柱结构，并设置于正向进水前池内。优选地，该楔形导流墩布置在距前池进口4d处，d为水泵叶轮直径。优选地，该楔形导流墩的顶面为等腰三角形，该等腰三角形的顶角处低于其底边处，且该等腰三角形的顶角朝向前池进口，底边朝向进水池。优选地，该等腰三角形的顶角为90°，腰长2.5d，d为水泵叶轮直径。优选地，所述等腰三角形的顶角所对应的顶点，其高度为0.3倍进水池断面水深，该高度与其底边的高度比为1：1.38。优选地，所述等腰三角形的底边垂直于水流方向。上述一种应对泵站前池大扩散角的楔形导流墩的研究方法，其特征是，包括以下步骤：a.几何建模：应用ugnx软件建立大扩散角正向进水前池的几何模型，该模型包括四台立式水泵出水，扩散角度数为55°，楔形导流墩的顶面顶角为β，腰长为l，导流墩最低点的高度为0.3倍的断面水深；b.边界条件：(1)进口条件：选择引河进水断面为进口边界，质量流进口，总流量为11.48kg/s，湍流强度中等；(2)出口边界：选择四台立式水泵吸水管断面为出水边界，设置为静压出水，流体域中研究区域离出口断面较远，根据以往经验设置为1atm，模拟自由出流；(3)自由水面：采用刚盖假定，水面设置为对称面，不考虑水面剪切力；(4)固体边壁：选择固体边壁为光滑壁面无滑移，不考虑水流对边壁的影响；c.网格划分及无关性分析：采用mesh软件对整个计算域划分网格，采用四面体非结构网格，对导流墩构件进行了局部加密；同时考虑网格数量对数值模拟的精度影响，首先探究网格从30万至300万区间下，计算域内水头损失hf的大小；采用式(1)计算水头损失：hf＝(pin-pout)/ρg(1)式中：hf为基于质量平均的水头损失；pin为进口断面总压强；pout为出口断面的总压强；ρ为4℃下水的密度；g为重力加速度；当网格数量到达170万之后，水头损失基本保持不变，故计算选择网格数量级为170万；d.原始方案流态分析：水流由引渠正向流入进水前池，水流流态呈现对称分布，流线集中；反映了由于进水前池大扩散角的缘故，导致流速和流量分布不均；e.采用楔形导流墩流态分析及研究方案：通过调整楔形导流墩的顶面顶角为β为90°，腰长为2.5d，与原始方案的流线分布对比，增设楔形导流墩，一定程度上加速了主流的扩散，两侧回流区的面积得以缩小；f.试验结果对比分析：为了验证步骤e中最佳整流方案数值计算结果，制作了与数值模拟相同尺寸的模型循环试验装置，通过观察前池内面层粒子踪迹以及底层丝线的变化，对比原始方案和增设导流墩方案的流线图，验证最佳整流方案；通过模型试验，观测各方案进水池流量分配与cfd结果基本吻合，说明数值模拟结果的可信度较高；通过观察水流流态、断面压力分布以及计算流量分布均匀度，不难发现前池流态得到明显改善，回流区缩小，横向水流以及偏流问题得以缓解，流量分布较均匀。本发明主要针对大扩散角前池存在大尺度回旋等不良流态的问题，采用数值模拟方法研究了在前池斜坡段增设楔形导流墩后的水流运动规律。以水泵流量分配均匀度为目标函数，探究了单因素改变导流墩导流夹角β及长度l对前池不良流态的影响，并进行了模型试验验证。研究表明：无整流措施时，前池中主流过于集中、有对称立面旋涡出现，严重影响前池扩散水流，甚至水流裹挟旋涡，进一步影响进水池内流态。在距前池进口4d处，增设导流角度β为90°、长度为2.5d的导流墩后，能够明显改善前池流态，水流均匀进入各进水池。研究成果对城市排水泵站主流过于集中或者大扩散角前池流态改善具有借鉴意义。本发明有利于更好地改善城市排污泵站前池的水流流态、提高水泵进口条件、技术可靠、易于实施。本发明是一种应对城市排水泵站前池大扩散角的楔形导流墩，布置于前池斜坡段，在距前池进口4d处(d为叶轮直径)，相对于底坎和立柱设置导流墩，可以有效地避免回流，漩涡等不良流态。本发明创新之处在于将导流墩布置为楔形，相对于传统的t形导流墩，y形导流墩具有施工简单，导流效果好，节约材料等优势。特别是应对大扩散角的前池，经数值模拟和模型试验验证增加本发明的楔形导流墩可有效解决前池主流集中、水流分配不均、流态紊乱等问题。可使水泵流量分布均匀度达到99.77％。较原始方案均匀度提高了4.80个百分点。附图说明图1为本发明楔形导流墩的结构示意图；图2、3为本发明的三维模型及前池进水部分平面尺寸；图4为本发明的不同数量级网格下的水力损失；图5为原始方案前池三维流线投影图；图6为原始方案各进水池断面1的压力分布云图；图7为本发明的整流方案前池三维流线投影图；图8为本发明的各方案各进水池断面1的压力分布云图；图9为本发明的模型循环试验装置；图10为本发明的进水池流量分配模型试验结果与cfd结果比较；图中：1楔形导流墩的顶面、2楔形导流墩的底面。具体实施方案本发明适用于各种大扩散角正向进水前池式工程，按照本设计要求设计绘图。确定前池中楔形导流墩顺水流方向l的总长度(即楔形导流墩顶面的腰长)，导流墩的导流夹角(即楔形导流墩顶面的顶角)，导流墩高度。如图1所示，楔形导流墩的高度，导流墩顶点a点的高度为0.3倍的断面水深。导流墩顶点a的高度与顶点b，c的高度比为1：1.38。楔形导流墩的顺水流方向长度l为2.5d，即腰长。(d为水泵叶轮直径)楔形导流墩布置在距离前池进口4d处(即导流墩顶点a距离前池进口为4d)，导流墩距左右边壁距离相等。底边bc垂直于水流方向。楔形导流墩的导流夹角为90°。楔形导流墩顶面的水平投影为三角形，导流墩头部为三角形，尾部的横断面设计为矩形。本发明在泵站正向进水前池适当位置加设楔形导流墩，楔形导流墩能很好的引导经由引河流来的水流，起到了非常好的导流作用，有效地改善进水池附近泵站进水流道的水流流态以及进口断面流速均匀度。本发明用于城市排水泵站前池内导流墩的改进，将顺水流方向导流墩头部改成楔形。当水流流经导流墩进入进水流道前，流来的水流经导流墩的楔形段引导，水流流态得到改善，流速分布较均匀。本发明适用于各种正向进水前池工程，能够有效改善大扩散角正向进水前池附近的流态，消除涡旋，使水流更加平顺，提高水泵进水流道进口的流速均匀度。导流墩是一种常用的整流措施用以改善前池流态，本发明有利于更好地改善大扩散角正向进水前池附近的水流流态，提高水泵进口条件，技术可靠，易于实施，应用前景广阔。几何建模：应用ugnx软件建立大扩散角正向进水前池几何模型(图1、2、3)。该模型包括四台立式水泵出水，编号如图所示，扩散角度数为55°。在图3模型尺寸示意图中，d为水泵叶轮直径，前池纵向长度为12.8d,横向长度为20d。在图2三维模型中，可见楔形导流墩模型，导流墩导流夹角∠bac为β，长度ab为l，导流墩a点的高度为0.3倍的断面水深。考虑正向进水前池流态的对称分布，现只研究1#和2#开敞式进水池水流流态。由于大扩散角前池水流流动复杂，通过定量分析进水池内典型断面间接反映前池流态变化，即分别在1#和2#开敞式进水池中截取四个断面(断面1-1、断面1-2，断面2-1和断面2-2)，分别为距离进水池进口4d和8d处，比较各典型断面上的特征值的大小。边界条件：(1)进口条件：选择引河进水断面为进口边界，质量流进口(massflowinlet)，总流量为11.48kgs，湍流强度中等，即5％。(2)出口边界：选择四台立式水泵吸水管断面为出水边界，设置为静压出水(staticpressure)，流体域中研究区域离出口断面较远，根据以往经验设置为1atm，模拟自由出流。(3)自由水面：采用刚盖假定，水面设置为对称面(symmetry)，不考虑水面剪切力。(4)固体边壁：选择固体边壁为光滑壁面无滑移，不考虑水流对边壁的影响。网格划分及无关性分析：本发明采用mesh软件对整个计算域划分网格，采用四面体非结构网格，对导流墩构件进行了局部加密。同时考虑网格数量对数值模拟的精度影响，首先探究网格从30万至300万区间下，计算域内水头损失hf的大小(如图4)。采用式(1)计算水头损失：hf＝(pin-pout)/ρg(1)式中：hf为基于质量平均的水头损失；pin为进口断面总压强；pout为出口断面的总压强；ρ为4℃下水的密度；g为重力加速度。当网格数量到达170万之后，水头损失基本保持不变。故计算选择网格数量级为170万。原始方案流态分析：图5所示为未增设任何整流措施下的前池三维流线投影图，采用等流速原则显示流线，通过流线的疏密程度及颜色表征流速大小，流线越密颜色越亮的区域流速越大，流线未显示的区域流速较低，即回流区。由图可知：水流由引渠正向流入进水前池，水流流态呈现对称分布，流线集中；至前池两侧边壁处由于前池扩散角度较大，导致出现两个较大面积的脱壁回流区，压迫主流；前池底坡设计为顺水斜坡，另加水流惯性夹持，主流未能有效地扩散，间接导致在2#和3#进水池入口处出现逆流以及横向水流；由于回流区的存在，1#和4#进水池进水偏流严重，流量分布不均，进水流态紊乱。通过模型试验和数值模拟的对比发现，水流流态相近，回流区明显，表明模拟结果真实可信。图6所示为原始方案各进水池断面1的压力分布云图，在断面1-1的位置截取四个进水池断面(断面1)，比较水流通过断面时的压力分布情况。由于主流集中，各断面上压力分布不均，2#和3#进水池断面压力较大。在2#和3#进水池同一个断面上压力分布仍旧不均，间接反映了由于进水前池大扩散角的缘故，导致流速和流量分布不均。本发明流态分析及研究方案：导流墩是前池和进水池中常见的整流措施，主要起调整水流流向的作用。结合本文中前池扩散角度过大的特点，采用在斜坡段设置楔形导流墩，改变水流流向，加速扩散主流，进一步调整流量分布。通过调整楔形导流墩的导流角度β和长度l，设计出6个不同的整流方案。图6为采用不同方案的前池三维流线投影图。通过各方案与原始方案的流线分布对比，增设导流墩的方式，一定程度上加速了主流的扩散，两侧回流区的面积得以缩小。表1整流方案方案β/°l/cm14510.027510.039010.0412010.051207.569012.5比较图7(a)、(b)和(c)流线图可知：通过调整导流墩的导流角度，虽能减小前池两侧回流区的大小，但未能有效的消除回流区。回流区的形状由原来的椭圆状，压缩为紧贴边壁的细条状，间接导致水流斜向流入1#和4#进水池，易在进水池中形成折冲水流，危害水泵安全运行。继续增大导流墩角度，由图7(d)可见，由于导流墩角度过大，虽能有效控制前池两侧回流区的大小，但造成墩后水流紊乱，形成次生旋涡，直接影响到进水池水流流态，整流效果不佳。鉴于方案4能够很好的控制回流区的大小的特点，在方案4的基础上减小导流墩的长度得到方案5，由图7(e)中流线可见，流线分布较好，墩后次生回流问题得以缓解，不难发现整流效果较好。针对方案1至5中调整导流墩的导流角度未能有效控制进水池口隔墩处的逆流和横向水流的问题，在方案3的基础上进一步增加导流墩的长度。比较图7(c)和(f)流线图可知：通过增加导流墩的长度，回流区进一步缩小，隔墩处的逆流和横向水流得以缓解，流线分布较为均匀。水流流入1#和4#进水池的偏折角度减小，整流效果较好。图8为各方案进水池断面1的压力分布云图。比较图8(a)、(b)和(c)，虽在进水前池中增设导流墩，但由于导流墩尺寸不合理，反而加剧了各断面上的压力差。在方案(4)和(5)中，中间进水池断面出现局部高压区，其他断面压力分布合理，但侧面反映出仍存在断面流量分布不均的问题。较其他各方案，方案(6)压力分布最合理，为最优方案。综上所述，通过原始方案和各整流方案的流线和压力分布对比分析可知：方案5和方案6为整流效果较好，能够有效控制回流区大小。下文中将选取典型断面，定量分析断面上特征值的变化，并通过模型试验加以验证。本发明计算结果定量分析：数值计算各方案下进水池流量分配情况示于表2。由于扩散角过大未能有效扩散水流的缘故，不同的进水池流量分配有较大差别，说明前池中水流流态直接影响到进水池流态，在进水池中形成的次生回流，影响到水泵流量分配。表2各方案下进水池流量分配由表2可知，各方案中水泵流量分布均匀度的变化趋势与流线分布规律相一致。其中方案1中设置的导流墩尺寸不合理，扩散主流作用不明显，反而在墩后次生不良流态，导致均匀度降低了2个百分点。除方案1之外的其他方案，均匀度均有所提高，最优方案为方案6，较原始方案(方案0)均匀度提高了4.80个百分点，次优方案为方案5，较原始方案均匀度提高了4.63个百分点。本发明试验结果对比分析：为了验证最佳整流方案数值计算结果，制作了与数值模拟相同尺寸的模型循环试验装置(如图9。通过观察前池内面层粒子踪迹以及底层丝线的变化，对比原始方案和增设导流墩方案的流线图，验证最佳整流方案。通过模型试验，观测各方案进水池流量分配与cfd结果基本吻合，说明数值模拟结果的可信度较高(如图10)。通过观察水流流态、断面压力分布以及计算流量分布均匀度，不难发现前池流态得到明显改善，回流区缩小，横向水流以及偏流问题得以缓解，流量分布较均匀。当前第1页12