肘形进水流道优化水力设计研究

第1期（总第183期）中阖寸威*我No.lSerialNo.183)2016年2月CHINAMUNICIPALENGINEERINGFeb.2016DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2016.01.016肘形进水流道优化水力设计研究朱峰雷(上海市城市建设设计研究总院，上海200125)摘要：进水流道的主要作用是调整水流流态，为水泵的叶轮室进口提供良好的水力条件。如果进水流道内流态不良，有可能产生脱流、漩涡等现象，使得水泵叶片压力分布不均匀，从而导致水泵的效率降低、水力损失增加，更有甚者水泵产生汽蚀，引起泵站的振动，威胁泵站的安全运行。采用数值模拟方法，分析水泵叶轮、进水流道隔墩以及进水流道几何参数对流道水力性能的影响。关键词：数值模拟；肘形进水流道；隔墩；肘形流道几何参数中图分类号：TV675文献标志码：A文章编号=1004-4655(2016)01-0050-03进水流道的作用是为了使水流在由前池进人水栗叶轮室的过程中更好地转向和加速，满足水栗叶轮室进口所要求的水力设计条件。进水流道设计应满足以下要求：在水栗的各种工况下，进水流道内无漩涡、涡带等不良流态；进水流道出口断面处流速尽可能分布均匀，流向尽可能垂直于出口断面；进水流道的水力损失尽可能小；进水流道的长度、高度和宽度等尺寸控制合理。1建模1.1实体建模本文三维数值模型包括肘形进水流道、流道进口段、叶轮室以及流道出口直管段。本文主要研究肘形进水流道内的水力性能，没有设置专门的出水流道，只在叶轮出口设置一段出口直段，不讨论出水流道内的流场。表1为模型几何尺寸参数表，其中叶轮直径乃为300mm，文献[1]推荐出口锥角为0°，图1为肘形进水流道型线图及装置三维透视图。表1模型几何尺寸参数表HJDB/Dxl/dHk/D饵（°)1.52.53.60.90注:Hw为流道名义高度，mmmm;Hk为喉管咼度，mm;;B为流道进口宽度，mm;Xl为流道长度，P为流道底边线倾角（°)收稿日期：2015-06-24作者简介：朱峰雷（1989—)，男，助理工程师，硕士，主要从事水利工程结构设计。a)肘形进水流道纵断面型线图b)肘形进水流道平面型线图图1肘形进水流道型线图及装置三维透视图根据肘形进水流道运行条件及前人的研究成果[1]，数值模拟计算时通常将流道设置为淹没进流，接近栗站正常运行。同时前池水位变化只影响流道人口处水流的分布情况，对水栗叶轮室进口水流没有影响，叶轮室进口水流受流道弯曲段的影响较大[2]。本文在计算时考虑前池水位比流道进口高0.5m。1.2模型网格划分对肘形进水流道及流道进、出段采用结构化网格划分，保证计算精度，叶轮、进出水管道网格密度适中。2叶轮对流道水力性能的影响为了说明肘形进水流道叶轮进口水流是否受叶50威*我朱峰雷：肘形进水流道优化水力设计研究2016年第1期轮旋转的影响，本文针对图2中的5个断面，计算不带叶轮时各个断面的流速分布均匀度和速度加权平均角，分析与带叶轮时的差异（见表2)。图2叶轮进口处断面示意图表2有、无叶轮各断面计算结果汇总表断面流速分布均匀度/%速度加权平均角/(。）流道水力损失/m编号有叶轮无叶轮有叶轮无叶轮有叶轮无叶轮76.08074.91072.33073.770272.35071.80071.19072.260391.68092.73077.16078.1000.1850.189490.92092.15081.59082.640590.07092.22083.66084.610由表2的计算结果可知，不带叶轮计算时5-5断面的流速分布均匀度为92.22%，速度加权平均角度为84.61°;带叶轮计算时5-5断面的流速分布均匀度为90.07%,速度加权平均角为83.66。，与不带叶轮相比分别相差2.15%和0.95。。流道水力损失在带叶轮计算的情况下略小，是由于叶轮旋转引起的水流预旋[3]增加水流的动能，所以水力损失有所减小。计算结果表明，叶轮旋转使叶轮进口断面的水流发生预旋，从而对叶轮进口断面的流速分布均匀度和速度加权平均角产生一定影响，使流道水力损失影响较小。从流场分析的角度看，在计算时需要考虑叶轮的影响[3]，所以本文的后续研究均为带泵计算。3隔墩长度对进水流道水力性能的影响在大型泵站肘形进水流道中设置进水流道隔墩改善流道顶板、底板的受力条件，起到一定的整流作用，但会增加流道的施工难度。隔墩对进水流道水力性能的影响在以往的研究中比较少见，并没有引起足够的重视。为此，研究不同的隔墩长度对大型泵站肘形进水流道水力性能的影响规律，在流道内设置1个进水流道隔墩（见图3)。在计算时，设置隔墩长度与流道长度的比值A分别为0、0.3、0.5、0.8,计算结果见表3。图3加隔墩后流道型线图表3带隔墩计算时肘形进水流道数值计算结果隔墩长度与流道长度流速分布速度加权流道水力的比值又均勻度/%平均角//。）损失/m0.00090.07083.6600.1850.30090.17083.7100.1890.50090.34083.8200.1910.80090.11083.4500.203由表3可知，随着隔墩长度的增加，叶轮进口断面流速分布均匀度、速度加权平均角均先增加后减小，流道水力损失随着隔墩长度的增加而增加。在肘形进水流道内加人隔墩后对流道的水力性能产生一定的影响，当隔墩过长U=0.8)时，直线段的过流面积不断减小，流速加大，使得流道的水力损失迅速上升，隔墩过长还影响弯曲段内的水流，使得流速分布均匀度和速度加权平均角度都突然下降，由此可见肘型进水流道中的隔墩长度不宜过长。4肘形进水流道几何参数优化研究4.1流道名义高度的影响流道名义高度优化设计研究选用的计算范围为1.5D~2.0D。优化方案的设计参数见表4,肘形进水流道名义高度对目标函数及流道水力损失的影响见表5。表4肘形进水流道几何参数Hw变化表方案编号HJDB/DXLDHkD皮/。）1.52.53.60.9021.62.53.60.9031.72.53.60.9041.82.53.60.9051.92.53.60.9062.02.53.60.9051肀68彳威*我朱峰雷：肘形进水流道优化水力设计研究2016年第1期表5肘形进水流道名义高度对目标函数及流道水力损失的影响方案编号HJD流速分布均匀度/%速度加权平均角/(。）流道水力损失/m1.5090.0783.660.1921.6091.4684.850.1431.7092.9685.870.1341.8093.4586.550.1251.9093.9887.060.1062.0094.0987.130.10计算结果表明：叶轮进口断面的流速分布均匀度、速度加权平均角随着流道名义高度凡增加而增大，流道水力损失随着流道名义高度凡增加而减小。随着化的增加，肘形进水流道水力性能变化趋于平缓。在肘形进水流道弯曲段内，水流在转向的过程中受到离心力的影响，流道内侧流速大，外侧的流速小，水流需要一定的空间进行调整才能在叶轮进口处顺直、均匀地分布。仏的增大意味着流场调整的空间越大，流态的调整效果越好，但是随着凡的加大，栗站整体开挖深度越大，所需的土建投资就越大，所以在栗站的设计过程中凡的选值对整个栗站设计有着很大的影响。综合上述因素，建议札的取值范围为1.7D~1.9D比较合适。4.2流道进口宽度的影响GB50265—2010《栗站设计规范》中的有关条文推荐5的取值范围为2.0D~2.5办4】，优化方案的设计参数见表6。表6肘形进水流道几何参数B变化表方案编号B/DHJDXJDH!Dpa。、2.01.83.60.9022.11.83.60.9032.21.83.60.9042.31.83.60.9052.41.83.60.9062.51.83.60.90根据三维进水流道数值模拟计算得到各方案流道水力性能的指标汇总于表7。表7肘形进水流道进口宽度对目标函数及流道水力损失的影响方案编号B/D流速分布均匀度/%速度加权平均角/(。）流道水力损失/m2.00093.24086.3100.11322.10093.27086.4700.11132.20093.22086.4800.11442.30093.30086.5700.11252.40093.32086.4700.11562.50093.45086.5500.117计算结果表明：叶轮进口断面的流速分布均匀度、速度加权平均角和流道水力损失受流道进口宽度的影响较小，流道宽度的选择还需要兼顾土建投资，不能盲目地加大。4.3喉管高度的影响GB50265—2010《栗站设计规范》中的有关条文推荐喉管高度私（肘形进水流道肘弯部的高度）的取值范围为0.8D~1.0办4]，优化方案的设计参数见表8。表8肘形进水流道几何参数Hk变化表方案编号HJDHJDB/DXLDp/(。、0.81.82.53.6020.91.82.53.6031.01.82.53.60根据三维进水流道数值模拟计算得到各方案流道水力性能指标汇总于表9。表9肘形进水流道喉管高度对目标函数及流道水力损失的影响方案编号HkD流速分布均匀度/%速度加权平均角/(。）流道水力损失/m0.80093.71086.7200.11520.90093.45086.5500.11731.00092.73086.4500.118由计算结果可知：在计算范围内，随着喉管高度凡的增加，叶轮进口断面流速分布均匀度和速度加权平均角均呈下降趋势，而流道水力损失则随着私的增大而略有增加。这是由于喉管高度的减小加大弯曲段立面方向的空间，使水流得到更充分的调整，因此建议肘形进水流道喉管高度不应过大。4.4流道底边线倾角的影响GB50265—2010《栗站设计规范》中规定夕的取值矣12。，选用的计算范围为0°~12。，优化方案的设计参数见表10。表10肘形进水流道几何参数jB变化表方案编号p//。）HJDB/DXJDH!D01.82.53.60.9241.82.53.60.9381.82.53.60.94121.82.53.60.9根据三维进水流道数值模拟计算得到各方案流道水力性能指标汇总于表11。（下转第59页）52中威*飪孙明亮，孙绪锋，李国旗：市政道路管线综合横断面设计的分析与应用2016年第1期污水管径乃400mm，按照片区规划要求，污水管只收集道路右侧地块排水。考虑减小雨水连接管长度和行车道标线影响，将雨水管布置在距边线2.5m处，检查井盖基本处于行车道中心位置。为便于雨污管合槽施工，同时考虑标线以及检查井和管线互不冲突，污水紧邻雨水管间距1.5m布置，污水井盖处于行车道标线上，提高行车的安全性。最后确定的烟台胜利南路管线标准横断面布置示意图见图1。0.50.5ri^@ssI齒齒S螽i。。。〇；。〇LU.25—2.51.52.5-1.5I.5图1烟台胜利南路管线标准横断面布置示意图（m)由于人非混行道断面宽度较小，除对电力和电信、电力和燃气、电力和热力、燃气和污水这4种情况的管线严格按照规范要求控制水平净距外，对各类管线进行综合分析比较。管位设计力求紧凑、合理、安全，雨污同槽施工，尽量避免管线进人行车道范围内，减少日后管线因为拆除和扩容造成对道路路面的开挖，从而降低施工造价和因后期开挖造成的投资成本。5结语通过对各管线的特性分析并考虑公用设施的影响，把握轻重利害关系，设计管线在道路横断面的合理位置，进行管线间水平净距的确定。经工程实践证明，按照前述原则进行管线横断面设计，可有效解决工程管线在规划设计中存在的矛盾，使之在有限紧张的地下空间中占有合理位置，使得设计更趋科学、合理、经济。参考文献：[1]李浩，李艺.历史文化街区地下管线最小水平净距研究J].给水排水，2010(36):111.[2]钱思琦.关于管线综合设计的几个要点J].防洪排水，2006,9(5):90.[3]刘艳平.城市道路管线的综合设计J].中国新技术新产品，2008(8):46.(上接第52页）表11肘形进水流道底边线倾角对目标函数及流道水力损失的影响方案编号少（°)流速分布均匀度/%速度加权平均角/