循环水泵流道的三维数值模拟与优化设计

第34卷第2期人民黄河Vol. 34,No.22012年2月YELLOW RIVERFeb. ,2012[水利水电工程]循环水泵流道的三维数值模拟与优化设计韩敬钦' ,李亚文',高德申',曹科",黄立 维3(1.山东电力工程咨询院有限公司,山东济南250013;2.武汉市城市排水发展有限公司,湖北武汉430062;3.中国水利水电科学研究院,北京100038)摘要:通过建立基于 RNG湍流模型的三维数值模型,对某循环水泵房前池和流道进行了数值模拟,重点对稳态及瞬态的水力特性进行了分析研究。结果表明:正常运行水位下,各工况的水泵喉部流速偏差均小于10% .能保证水泵安全稳定地运行。但在最低运行水位下,吸水池内涡量较大,为此提出了设置消涡胸墙的优化方案。两台水泵同时事故停泵时,会造成循环水泵房的暂时性溢流，可将泵房内人孔移至泵房外且运行水位降低0.30 m;两台水泵同时启动时,前池水位降低最大,但最小淹没深度仍能满足水泵的安全运行要求。关键词:水力特性; RNG湍流模型;数值模拟;循环水泵;流道中图分类号: TV136文献标识码:Adoi;10. 3969/j. isn. 100-1379. 2012.02.0503D Numerical Simulation and Optimum Design of Circulating Water PumpFlow Channel in Thermal PlantHAN Jing-qin', u Ya-wen' , GAO De shen' , CAO Ke2 , HUANG Li-wei'( 1. Shandong Eleric Pover Engineering Consulting Insinue Co. Ld, Jinan 250013, China;2. Wuhan Urban Drainage Development Co. Ld, Wwhan 430062, China;3. China Intitue of Water Resoures and Hydropower Research, Beijing 10038, China)Abstract: Based on RNC turbulet model, the 3D numerical simuaion model of crculaing water pump forebay and flow channel was esuablished,which could simulate the hydraulic characteristics of the steady and lransient flow. Under the goal level, the flow velocity deviation of pump throatis less than 10% at all operation situations, the pumps can work steadily. Under the lowest operation level, too much eddy is found from the caleu-lated results, s0 the optimized scheme about stting parapet wall is approved. When two pumps stop simultaneously, temporary overlow will hep-pen. To avoid overflow , manhole should be moved outside the pump house, and decrease the operation level of 0.30 meters. When the two pumpsstart up simultaneously, the water level in forebay will drop down highest, but the lowest submerged depth can sill satify openation requirement.Key words: hydraulic characteisti; RNG turbulent model; numerial simulation; circulating waler pump; fnow channel泵站的进水流道是供水系统的重要组成部分,进水流道的a(pu,), a(pu,u). +((4_-pu.,)+S， (2)合理布置,可以提高水泵的运行效率,延长水泵的使用寿命”"。对火力发电厂来说，循环水泵流道的合理设计,对保证电厂安式中:p为流体平均密度;u为流速;μ为分子黏性系数;P为修全满发以及节约工程造价具有重要的作用21。正压力;S,为单位体积上的质量力。为求解该不封闭方程组,必某3x660MW火力发电厂新建工程采用循环供水系统，须引入湍流模型(方程)。每台机组配1座冷却塔及2台循环水泵,3台机组共用一座循1.2 湍流模型环水泵房。为保证循环水泵进水流道具有理想的流态，笔者采与标准k-ε模型相比,RNGk-ε模型通过修正湍流黏性用基于RNG湍流模式的三维数值模型.研究了各典型工况(稳系数,考虑了平均流动中旋转及旋流的情况“;并且通过改变态)下循环水泵流道和前池的水力特性以及极蹦工况(瞬态)e方程,反映了主流的时均应变率.提高了对高应变率的模下前池水位的波动，并根据计算结果提出进水流道的整流措施拟|4。因此,RNG模型叮以很好地模拟高应变率及流线弯曲和运行要求。.程度较大的流动方程形式如下:1数值模型2(pk) + 8(pku,)[aua路]+G,+pe (3)adx1.1 控制方程中国煤化工该模型采用不可压缩流体的连续方程和动最方程:收稿日期:2011-06-07作者简介:韩嫩钦(1967MYHCNMHG要从事大力发电a(u,)(1)E-mail ;hanjinqin@ sdepci. com●143●人民黄河2012 年第2期算该边坡稳定安全系数为1. 310,与上述有限元强度折减法得3工程实例出的结果1.315非常接近,当取两位小数时,两者都是1.31 ,而结合某工程实例,采用基于三点位移突变判据的有限元强且简化Bishop法搜索计算得到的最危险滑动面与有限元强度度折减法分析某边坡的稳定安全系数。该边坡为均质土坡,坡折减法计算得到的滑动面十分接近。比为1:2,高4.8m。土的重度y为18 kN/m' ,黏聚力c为104结语kPa,内摩擦角o为12° ,变形模最E为14 MPa.泊松比v为0.2。.采用三点位移突变判据的有限元强度折减法进行分析,位通过探讨有限元强度折减法在边坡稳定分析中失稳判据移随折臧系数突变的曲线见图2。可以看出，折减系数为1.31存在的问题，认为位移突变判据更符合边坡的失稳机理.提出时,三点均开始出现位移突变,滑出点B处最明显,坡顶点A次了基于三点位移突变判据为主的边坡稳定分析有限元强度折之,坡面代表点C相对突变性较弱;折减系数为1.32时,位移减法。通过某工程算例指出应采用0.01的折减步长进行边坡激增,其对应的状态已不安全,无论是根据其位移特征,还是出稳定分析,再参考位移云图及塑性变形进行综合判定。若位移于安全性考虑,宜以1.31为安全系数。突变非常明显或精度要求更高,则叮减小折减幅度进行加密分析,同时也可反过来进一步确认 0.01折碱幅度时的安全系数。当两相邻折减系数均出现一定突变性质时,一 般出于安全考20虑,取数值小的为安全系数。在结合可视化的位移云图及塑性15变形判断时，,参考的位移参数应为“纯"滑坡位移值及“纯"滑坡顶点A坡位移比值。0.5代表点C.参考文献:1.28 1.29 130 131132 1.33 1.折减系数[1] 李荣建,于天贞,扩信强度折减有限元法在非饱和t边坡稳定分析中的圈2三特征点位移随折减系数变化曲 线应用[J].水利水电技术,2006,37(3):42 -45.为了更准确确定边坡的安全系数.缩小折臧系数1.31与2] CrifSuhs D v, Lane P A. Slope Sability Anlysis by Finite Element[J].1.32之间的折臧步长进-一步分析,结果见图3。加密后,三点Geotochnique, 199,9 49(3) :387 - 403.的折减系数曲线在1. 315~1.318处突变，坡顶点A及滑出点3] 赵尚毅.郑颖人,张天芳极限分析有限元法讲康一 I有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨[J].岩石力学与I.程学报,2005 ,26(2):332 -336.B.在折减系数为1.315时突变比较明显,可确定安全系数为1.4] 赵尚毅,时J!民,郑颖人.边坡稳定性分析的有限元法[J].地下空间，,2001,315 ,若取两位小数.根据四舍五人法则，可把折减系数1.32确定为安全系数,但折减系数为1.318时.坡体已经开始滑动,这5] 张锐,迟世春,林皋.基于强度折减法的边坡失稳判断准则[J].人民黄河，时不宜用四舍五人法,而应取数值小者。2008.30(4):74-75.6] 连镇背，韩国城.孔宪京.强度折酸有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报,2001 .23(4):407 -411.滑出点8/7] 刘金龙.栾茂田,赵少飞关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论[J]. 岩土力学.200 ,26(8);1345 - 1348.0.6f8] 栾茂田,武亚军年延凯强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其0应用[J].防灾醵尖T.程学报2003.23(3):1 -8.[责任编辑吕艳梅]1.295 1.300 1.305 1.310 1.315 1.320 1325折碱系数圈3加密后三特征点位移随折减系数变化曲线(上接第145页)也可参考位移云图及塑性变形判断确认,当折减系数为1.315时,坡顶面局部范围变形较大,整个坡体位移呈现不同的数值水平,最大位移处总位移为0.122m,出现在坡面滑动面附1] 陆林广.张仁田泵站进水流道优化水力设计[M].北京:中国水利水电出近靠坡面的一侧坡顶点A位移为0.1075m,除去基本没滑动版礼.,1997.迹象(对应折减系数1. 31)时的位移值0.0942 m,"纯"滑坡位2] 西北电力设计院电力工程水务设计手册[ M].北京:中国水利水电出版杜,2005.移值只有0.0133 m,"纯"滑坡位移比值为0.14。可见,边坡并[3] sY Jaw.C J Chen. Presen Sutums df Scond - Onder Cloure Tubulece Mot-不是整体滑动,但某一水 平的塑性变形基本贯通,而且贯通的cbs,I:Overview[ J]. Joumal of Engineering Mechanics, 1998(5) .485 - so1.标准不好把握。若以此为判据,则不十分准确.但可作为参考。[4] 补舒棋唐新军 =种淄流模暝在腧梯溢旋坝数值模拟中的比较[J].人民当折战系数为1.318时,滑动面靠坡面一侧位移值较大.坡体黄河,2010.32(7):141 - 143.5] 何耘,陈惠泉,李下生研究[D].北京: .开始出现整体滑动,最大位移为0.220 m,坡顶点A位移值为中国煤化工0.1762 m,"纯”滑坡位移值为0.082 m,“纯”滑坡位移比值达中国水利水电科学6] American Hydn ulie:YHCNMHGNaicoaSunded0.87,滑动迹象明显,某--水平的塑性变形贯通.坡顶面开始坍for Pump Intake Deaigm[S]. Nem Jenay: American Hydranlie Intitute ,1998.塌,可认为此时边坡开始失稳。用简化Bishop边坡计算方法计[责任编辑张华岩]●148.