本文对某肘形进水流道在设计流量下的内部流动进行了仿真计算,以下是对计算结果的分析和研究。肘形进水流道内部流态分析图1为该肘形进水流道典型断面的位置图。肘形进水流道的进口直段的水流处于逐步收缩状态,过流面积沿流向逐步缩小,流速逐步加快,流态较平顺。
肘形进水流道的弯曲段和出口段断面之间有一个圆锥段,起衔接和整流作用。在圆锥段,流道内外侧的流速差异在逐渐缩小,出口断面E-E上的速度分布也得到改善。
肘形进水流道水力特性分析肘形进水流道水力特性包括水泵进水条件和流道水力损失2部分。进水流道的出口即为水泵的进口,为水泵提供良好的进水条件,是肘形进水流道水力设计的主要目标。在可能的情况下,应力求减少流道的水力损失,并满足水工和建筑结构设计等方面的要求。
水泵的进水条件(1)轴向流速分布均匀度η是检验肘形进水流道出口水流条件的一个技术指标。η值越接近100,水泵的进水条件越好。
η=1-1Va<∑ni=1(Vai-Va)2/n>×100(7)式中:Va为出口断面上平均轴向流速,m/s;Vai为出口断面计算单元的轴向流速,m/s;n为出口断面上计算单元数。
(2)出口水流偏流角θ由于有切向流速的存在,肘形进水流道出口断面上的水流不可能完全垂直于流道出口断面,即实际出口水流与水泵轴线之间有一个夹角θ,称之为偏流角,是评价流道水力设计优劣的另一个技术指标。在流道出口断面E-E上,各点的轴向流速和切向流速都不相等,因此,偏流角有大、小和平均偏流角之分。偏流角越小,越符合水泵的设计进水条件,水泵的能量性能和汽蚀性能越能得到正常发挥。按式(8)进行计算,可求得速度加权平均的出口水流偏流角θ:θ=∑ni=1Vai(90°-tg-1VtiVai)/∑ni=1Vai(8)式中:Vti为出口断面计算单元的切向速度,m/s;其余符号意义同前。
流道的水力损失流道的水力损失直接关系到水泵装置效率和泵站工程的经济效益,是评价肘形进水流道的一个重要经济指标。在给定肘形进水流道主要设计尺寸的前提下,通过参数优化和型线调整,可以减少流道的水力损失,降低泵站的运行成本。
为了便于同一水泵装置不同进水流道设计方案之间以及不同泵站不同进水流道形式之间水力损失的比较,本文给出了流道水力损失系数ξ进和流道阻力系数S进2种表达形式,计算公式为:ξ进=Δh进/(V2出2g)(9)S进=Δh进/Q2设(10)式中,Δh进为肘形进水流道的水头损失,m;V出为流道出口轴向平均流速,m/s;Q设为水泵装置设计流量。
结语(1)通过肘形进水流道三维紊流仿真计算,分析内部流态,研究水泵的进水条件和计算流道的水头损失,可全面预测肘形进水流道的水力特性。(2)把肘形进水流道内部流态分析、水泵进水条件和水头损失3者结合起来,定性和定量研究大型泵站肘形进水流道的水力特性,方便不同设计方案和不同流道形式之间的比较。(3)在仿真计算和水力特性预测结果的基础上,指导水力设计优化,可大幅度缩短物理模型试验周期和节省模型试验费用。