南迪普火电厂循环水泵站进水流槽水流特性三维数值模拟

160中国农村水利水电●2011年第1期文章编号: 107-2284(2011)01-0160-04南迪普电厂循环水泵站进水流槽水流特性三维数值模拟李礼,张根广,华 维娜,郭红浩(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)摘要:电厂循环水泵站进水流槽的水流特性对水泵的工作状况和安全运行有着极其重要的影响。以k-t湍流模型封闭Reynolds方程,采用VOF法追踪自由表面及SIMPLE算法求解方程组,对南迪普火电厂循环泵站进水流槽进行了三维数值模拟。结果表明,吸水室水流平稳,流速分布基本均勾、对称,流道内水面线及吸水室中流速分布与实测值吻合良好;吸水喇叭口与吸水管中水流平顺,流速分布均匀、对称。以物理试验验证数值模拟,使得数值模拟值真实、可靠，进而详细地分析了喇叭口及吸水管的水流特性,对电厂循环水泵站进水流槽的设计有一定的参考作用。关键词:进水流槽;教值模拟; VOF模型;吸水室;吸水喇叭口;水流特性中團分类号:TV598.1+ 61文献标识码:Aalizablekrt模型对进水池漩涡的位置和形状预测比较准确。0前言朱红耕叫等数值模拟了泵站进水池的流场，计算得到水泵吸水电厂循环水泵取水口及进水流槽一般采用开敞式[川,开敞管内的涡角,并利用模型试验结果验证了数值计算值.鉴于上式流槽中的水流-般均存在着漩涡,漩涡不仅对泵的运行效率述分析,作者拟在物理模型试验的基础上,采用三维数学模型，有显著影响,而且还经常引起水泵汽蚀、振动及噪音等物理现对南迪普火电厂循环水泵站进水流槽水流特性进行三维数值象,严重时可能导致水泵不能正常运行(2- 4。因此,为了使电模拟及验证,进而分析预测吸水喇叭口和吸水管中的水流厂的设计安全、合理、可靠，目前,通用的方法是,通过模型试验特性。和数值模拟技术对电厂泵房进水流槽吸水窒及吸水管进行设1工程概况计优化改造。鉴于物理模型试验花费大、耗时长及滞后性,数学模型花费少、耗时短和超前性等特点,以及测量完整的流场南迪普火电站位于巴基斯坦拉合尔地区U. C C运河东存在技术上的困难,很难给出流槽及吸水管内流场的完整信侧,工程冷却水源为U. C. C运河地表水,冷却水系统拟采用直息.而对于三维数值模型却可以给出流槽及吸水管内部流速流加再循环供水方式。本期工程共设一座取水泵房,泵房内布场的完整信息,况且,随着敷值模拟方法的日益成熟和计算机置3个进水流道，每个流道布置1个集沙井,1个旋转滤网,1硬件技术的飞速发展，使得利用数学模型模拟复杂的流动成为台取水泵(流量为6.23 m/s)[D。因3个流椿相互独立,因此可能,并且越来越多的学者已开始应用三维数学模型对泵站进选取1个流道作为分析对象,其纵剖面体型见图1(图中高程单水流道进行分析计算,取得-些研究成果。高秋生()率先在国位为m,其余单位为mm).假定流道进口0 m高程平面中点为内采用三维衰流模型对泵站前池进行了数值模拟,同时解决了坐标原点,X轴正向为水流方向,Y轴正向垂直向上,Z轴正向自由水面和有压水流的流动计算问题。孙东坡[0等对1 000符合右手螺旋法则。MW电厂循环水进水流道进行了三维水流数值模拟,提出了保2数值模拟证水泵正常运行的流道设计控制尺寸,同时分析讨论了进水流道数值模拟的计算参数及网格处理方法。丛国辉”等采用32.1控制方程种湍流模型对进水池流场进行了数值计算,对比分析表明,Re中国煤化工压缩水流流动问题，收稿日期:2010-04-08可采用MYHCNMH(二双方程紊流模型封闭Reynold动量方程、k方程.e作者简介:李礼(1984-).男 .研究生,研究方向:水工水力学. E方程和相体积分数a.方程等。milnyslebli@163. com.南迪普火电厂循环水泵站进水流槽水流特性三维敏值模拟李 礼张根广华维娜161sL.50。2.30脚墙旋转速网吸水管-集沙井s27.0d喇叭管-8.50昼三角形阻润板圈1进水流纵劑面圜连续方程:以进出口流量差值作为计算是否完成的依据,当精度小于要+04=00. 5%时,认为计算已经收敛。2.4边界条件动量方程:(1)进口边界。进口边界分为水流进口和空气进口,水流304+3进口定义为流速入口条件,相应的紊动能k和耗散率ε可由下a ar,(owun)=- 器+是[(w+w)[譏+增]]列经验公式得出[10]:k方程:al(0k)+3(oy,k)=是{「u+生]路}+G+pek= 0.003 75u,c= o.42Lau式中:u为进口流速;L为亲流特征长度。e方程:空气进口采用压力边界条件,进口压力为大气压。2+ 3(,.) =录{[*+告]器}+CG-Co号(2)出口边界。出口分为水流出口和空气出口,水流出口式中;为时间;u和x,分别为速度分量和坐标分量ip和μ分为负压,空气出口为大气压。别为密度和分子黏性系数;P为修正的压力:pu为素流黏性(3)固壁边界条件。壁面采用无滑移边界条件,在壁面处采用壁面函数。系数。为了能够有效地求解自由水面问题，在ke紊流模型中引3计算结果与分析人求解自由面的流体体积分数法(VOF).如果用aw表示水的3.1水面线体积分数,则气体积分数as可表示为:ao=1-aw.在一个单本文选择正常水位( - 1.00 m)运行工况进行数值模拟。元中,水体积分数有三种情况,即aw =0,1或介于0和1之间，在该运行工况下,实体流道模型中流速较小,水面位置清晰,量分别与气、水和水气混合界面三种情况相对应。水气混合界面测比较精确。数值模拟所得的水面是- -个由水到气过渡的界的跟踪可通过求解下面的连续方程来完成:面,作者提取擼气浓度为50%的水面线与模型实测值比较,见c+u验=0图2.可以看出,流道中水位平稳,计算值与实测值吻合良好。根据aw的值即可确定自由水面位置.-0.2.2计算区域 与网格划分南迪普电厂泵站进水流槽长34. 2 m,宽4.4 m,高10 m,包+物理试验甘数值模拟括集沙井.旋转滤网、M型导流墩，体型复杂。为了减小计算-25量,并满足计算精度要求,将模型划分为几个区城,规则区域采10T5r202530 5流道长度/m用六面体网格,不规则区域采用混合网格，吸水喇叭口与吸水管附近网格局部加密,水面线附近应用了fluent自适应网格加圈2流槽纵剖面水面线比较密功能。网格单元大小在0.2~0.3 m之间,网格数量约为3.2吸水室中流速分布2. 76X10*个。在水工模型试验时,在吸水喇叭口中心线上游4.8 m处布.2.3数伉解法置了一个流速测验断面,在该断面上自左到右依次布置了5条控制方程组可写成如下通用形式:垂线,数学模型也分别提取了该断面相应垂线的流速值与实测++2(wy)=是(v盖)+s,资料进中国煤化，工十算的各垂线流速分布式中:φ为通用变量,如速度、紊动能等;为变量$的扩散系吻合良YHCNMHG数值大小也与实铡值数iS$为方程的源项。速度与压力耦合采用修正的SIMPLE综上所述流槽内水面线及吸水室中流速分布与实测值吻算法处理,为减少数值扩散,对流项采用二阶迎风离散格式。合良好，说明敷学模型计算结果是可信的。162南迪普火电厂循环水泵站进水流槽水流特性三维数值模拟李礼张根广华维娜等-05-+物理试验-0.5+物理试验-o+物理试验1.5- ↑士数值模扣.1s."士数值模拟15个士数值模拟-1.5.入( 士数值模拟 -1.s)士数值模拟25-25-25--2-3g-35富45国4.5-55-S.7.5|-8.549-0.4-0.20 0.20.4-04-0200204 -0.4-020 0.20.406测线1-流速ims')测线2:流速/(ms'y .测线3-流速/m-s'y湖线 4.流速(ms1)测线5-流速(ms')图3吸水室垂线流速分布3.3吸水喇叭口 及吸水管中水流特性分析面流线图。由图可知.喇叭口附近水流平顺，无脱壁回流产生;水泵吸水口不良水流流态将引起水泵振动,气蚀.部件磨管内流线顺直.流态平稳，与模型试验观测的现象- - 致。损及运行效率降低等不良现象,并直接影响水泵运行的有效图6给出了高程-7. 70 m截面不同角度管内轴向速度分性、安全性和稳定性。不利的水流流态可归纳为三类:-是漩布情况。可以看出.不同角度轴向速度沿管径分布基本- -致，涡.包括表面漩涡与水下漩涡。当流道设计不当或吸水室水位均以轴线呈对称分布。图7为高程-7.09 m截面45°线管内过低时.水泵吸水室水流就会形成漩涡。二是水泵吸水喇叭口轴向流速分布情况。由图可知,因吸水喇叭口管径大,所以进喉部断面流速分布不均匀，从而造成水泵叶轮受力不均,进而口断面流速小:在其后管道中,管内流速增大,且流速分布也趋引起水泵振动和部件磨损。三是喇叭口前的漩流。漩流是造于一致。成泵运行负倚增大及引起水泵振动的潜在因素”。2.图4、图5分别给出了吸水喇叭口及吸水管纵剖面和橫截✧0-45°0女a135*°is0.01.3管径径向/m图6高程-7.7 m(喇叭口)截面轴向流速分布團3..2.3i 20f图4喇叭口及 吸水管纵剖面流线图母-550m' 10-of0.5亡-7.70m95.5管径径向m圈7 45‘线高程 -7.09 m截面轴向流速分布團图8为高程-5.5m截面各角度线上X向切向流速分布情况。由图可见，各角度线上X向切向流速分布基本呈原点对称,流速量值均在0.05 m/s以下,并且,各角度线上X向切向中国煤化工5”线和135"线上切向流速的完整的旋流或涡流。:YHCN M H G对称.水流平顺，无分.流和回流现象;吸水管内水流流速分布也均匀对称，流线顺直，圈5喇叭口及吸水管橫截面流线围流态平稳,不存在完整的旋流或涡流。南迪普火电厂循环水泵站进水流槽水流特性三维敏值模拟事 礼张根广华维娜等1630.06古a=0° ◆o-45°参考文献:+=90”甘-o=135".04-[1]国家电力公司电 力规划设计总院火力发电厂循环水泵房进水流遭及其布置设计技术规定(试行)[S]. 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