高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利工程栗站技术领域，具体涉及大流量栗站出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栗站的低驼峰式出水流道、虹吸式出水流道、斜式 出水流道和前置竖井式出水流道。
【背景技术】
[0002] 大流量栗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。出水流道位于水栗导叶体出口与栗站出水池进口之间，是大流量 栗站重要的出水通道。出水流道三维形体过流面的水力设计对出水流态的影响很大，出水 流态不良不仅会显著降低水栗的能量性能，还有可能在出水流道内产生会威胁到水栗机组 稳定运行的旋涡及压力脉动。出水流道传统的设计方法是基于流道断面平均流速的几何作 图法，不能掌控所设计出水流道内的三维流场，导致其过流面水力性能指标差，难以保证大 流量栗站安全、稳定和高效运行。
【发明内容】
[0003] 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栗站出水流道 三维形体过流面设计方法。本发明的特征是，对大流量栗站出水流道进行三维流场数值仿 真，为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件;采用以出水流道三 维形体过流面水力性能指标达到最优为要求的设计方法;将影响出水流道三维形体过流面 的流态及其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，构建出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出 水流道的I级尺寸和II级尺寸进行优化调整;根据对各种型式出水流道优化计算的结果并 兼顾控制栗站土建尺寸的要求，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 的出水流道具有水流转向有序、扩散均匀、流道水头损失小等优点，可保障水栗机组的安 全、稳定和高效运行。
[0004] 为实现本发明的目的，采用如下技术方案：
[0005] 1.本发明适用于多种型式的出水流道，特别适用于高性能大流量栗站的低驼峰式 出水流道、虹吸式出水流道、斜式出水流道和前置竖井式出水流道三维形体过流面的设计； [0006] 2.应用计算流体动力学商用软件对大流量栗站出水流道进行三维流场数值仿真， 为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；
[0007] 3.根据第2步三维流场数值仿真的结果计算所述出水流道三维形体过流面设计工 况的水头损失：
[0008] Δ h = Ε?^ΜοΜπ?Μ
[0009] 式中：Ah为出水流道水头损失，m;
[0010] 湎为出水流道进口断面的能量水头，m;
[0011 ] 麵为出水流道出口断面的能量水头，m;
[0012] 出水流道三维形体过流面设计工况水头损失的指标通过系统的数值计算和模型 试验研究得到；
[0013] 4.在研究出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，将影响出水流道三维形体过流面的流态及其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Ι、Π 级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但同时又会 增加栗站的土建投资，故需要兼顾提高出水流道水力性能和控制栗站土建投资两方面的要 求，提出合理的尺寸；I级尺寸对栗站土建工程量和出水流道水力性能影响都很大，各种型 式出水流道的I级尺寸均为出水流道进口断面中心点至出口断面的水平距离（以下简称出 水流道长度）、出水流道出口断面宽度（以下简称出水流道宽度)和水栗叶轮中心线至出水 流道最高点的垂直距离（以下简称出水流道高度）；II级尺寸对栗站土建工程量影响较小、 对出水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的出水流道具有不同 的II级尺寸，差别很大；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；
[0014] 5.对每种型式出水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：（1)对I级 尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；（2)在第（1)步骤完成 后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算;对各种型 式出水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握流道各I 级尺寸、II级尺寸影响出水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律;根据对 各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制栗站土建尺寸的要求，得到以水栗叶轮直径 Do表示的I级尺寸和II级尺寸(单位为m，下同）的最优取值范围；
[0015] 6.根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值绘制出水流道单线图。
[0016]本发明的目的是这样实现的：
[0017] 1.应用计算流体动力学商用软件对大流量栗站出水流道进行三维流场数值仿真， 为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件;具体要求如下：
[0018] (1)三维流场仿真的区域包括直管段、出水流道段和出水池段，出水池段的长度和 底坡取自所述大流量栗站设计值，直管段的直径与出水流道进口断面的直径相等，直管段 的长度为直管段直径的两倍;直管段的出口断面与出水流道段的进口断面连接，出水流道 段的出口断面与出水池段的进口断面衔接;应用三维造型软件对所述三维流场的仿真区域 建模；
[0019] (2)直管段采用⑶0PER混合网格，出水流道段采用T-GRID网格，出水池段采用 COOPER混合网格;所述仿真区域的网格数不少于4.0 X 105;
[0020] (3)流场仿真的边界条件：出水流道流场计算的进口边界设置在直管段进口断面， 采用速度进口边界条件，其进口平均法向流速为
[剛]v =备(m/s)
[0022] 式中：Q为栗站单栗设计流量，m3/s; D为出水流道进口断面直径，m;
[0023] 考虑到水栗导叶体出口水流具有一定的环量，根据模型试验研究的结果，在直管 段的进口断面设置适量的水流旋转角速度；
[0024]出水流道流场计算的出口边界设置在出水池段出口断面，采用自由出流边界条 件；出水流道段边壁、出水池段底壁和直管段边壁采用固壁边界条件，固壁边界的粗糙度为 0.001m;出水池段两侧面为无相对运动的水体，采用粗糙度为零的边界条件；出水池段表面 采用对称边界条件；
[0025] 2.根据第1步三维流场数值仿真的结果计算所述出水流道三维形体过流面的水头 损失：
[0026] Δ h = Ε?^ΜοΜπ?Μ
[0027] 式中：Ah为出水流道水头损失，m;
[0028] E制疏1M湎为出水流道进口断面的能量水头，m;
[0029] E制疏勘_为出水流道出口断面的能量水头，m;
[0030] 经过系统数值计算和模型试验研究，得到高性能大流量栗站出水流道三维形体过 流面设计工况水头损失指标列于表1;
[0031 ]表1高性能大流量栗站出水流道三维形体过流面设计工况的水头损失指标 Γηη.??1
L〇〇33」3.在研咒出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，将影响出水流道三维形体过流面的流态及其水力性能的主要几何尺寸分为I级尺 寸和II级尺寸；I级尺寸对栗站土建工程量和出水流道水力性能影响都很大，各种型式出水 流道的I级尺寸均为出水流道的长度、宽度和高度；II级尺寸对栗站土建工程量影响较小、 对出水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的出水流道具有不同 的II级尺寸；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；
[0034] 4.对每种型式出水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：（1)对I级 尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；（2)在第（1)步骤完成 后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算;对各种型 式出水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握流道各I 级尺寸、II级尺寸影响出水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律;根据对 各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制栗站土建尺寸的要求，得到如下以水栗叶轮 直径Do表示的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围：
[0035] (1)低驼峰式出水流道主要几何变量的最优取值范围
[0036] I级尺寸：出水流道长度XL= (6.0~8.0)Do，