高性能大流量泵站出水流道三維形體過(guò)流面設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利工程栗站技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及大流量栗站出水流道三維形體過(guò)流 面的設(shè)計(jì)方法，特別適用于高性能大流量栗站的低駝峰式出水流道、虹吸式出水流道、斜式 出水流道和前置豎井式出水流道。
【背景技術(shù)】
[0002] 大流量栗站廣泛應(yīng)用于我國(guó)平原地區(qū)的水資源配置、農(nóng)業(yè)排灌、水環(huán)境治理和城 市防洪排澇等重要領(lǐng)域。出水流道位于水栗導(dǎo)葉體出口與栗站出水池進(jìn)口之間，是大流量 栗站重要的出水通道。出水流道三維形體過(guò)流面的水力設(shè)計(jì)對(duì)出水流態(tài)的影響很大，出水 流態(tài)不良不僅會(huì)顯著降低水栗的能量性能，還有可能在出水流道內(nèi)產(chǎn)生會(huì)威脅到水栗機(jī)組 穩(wěn)定運(yùn)行的旋渦及壓力脈動(dòng)。出水流道傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是基于流道斷面平均流速的幾何作 圖法，不能掌控所設(shè)計(jì)出水流道內(nèi)的三維流場(chǎng)，導(dǎo)致其過(guò)流面水力性能指標(biāo)差，難以保證大 流量栗站安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述方法的缺陷，提供了一種高性能大流量栗站出水流道 三維形體過(guò)流面設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的特征是，對(duì)大流量栗站出水流道進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿 真，為掌控出水流道三維形體過(guò)流面的流態(tài)及水力性能提供必要條件;采用以出水流道三 維形體過(guò)流面水力性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)為要求的設(shè)計(jì)方法;將影響出水流道三維形體過(guò)流面 的流態(tài)及其水力性能指標(biāo)的主要幾何尺寸分為I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸，并以I級(jí)尺寸和II級(jí)尺 寸為幾何變量，構(gòu)建出水流道三維形體過(guò)流面;采用單因素分步優(yōu)化的方法對(duì)各種型式出 水流道的I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整;根據(jù)對(duì)各種型式出水流道優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果并 兼顧控制栗站土建尺寸的要求，得到I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸的最優(yōu)取值范圍。應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計(jì) 的出水流道具有水流轉(zhuǎn)向有序、擴(kuò)散均勻、流道水頭損失小等優(yōu)點(diǎn)，可保障水栗機(jī)組的安 全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用如下技術(shù)方案：
[0005] 1.本發(fā)明適用于多種型式的出水流道，特別適用于高性能大流量栗站的低駝峰式 出水流道、虹吸式出水流道、斜式出水流道和前置豎井式出水流道三維形體過(guò)流面的設(shè)計(jì)； [0006] 2.應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)商用軟件對(duì)大流量栗站出水流道進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿真， 為掌控出水流道三維形體過(guò)流面的流態(tài)及水力性能提供必要條件；
[0007] 3.根據(jù)第2步三維流場(chǎng)數(shù)值仿真的結(jié)果計(jì)算所述出水流道三維形體過(guò)流面設(shè)計(jì)工 況的水頭損失：
[0008] Δ h = Ε?^ΜοΜπ?Μ
[0009] 式中：Ah為出水流道水頭損失，m;
[0010] 湎為出水流道進(jìn)口斷面的能量水頭，m;
[0011 ] 麵為出水流道出口斷面的能量水頭，m;
[0012] 出水流道三維形體過(guò)流面設(shè)計(jì)工況水頭損失的指標(biāo)通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算和模型 試驗(yàn)研究得到；
[0013] 4.在研究出水流道三維形體的主要幾何尺寸影響其過(guò)流面水力性能基本規(guī)律的 基礎(chǔ)上，將影響出水流道三維形體過(guò)流面的流態(tài)及其水力性能的主要幾何尺寸分為I級(jí)尺 寸和II級(jí)尺寸;較寬松的Ι、Π 級(jí)尺寸有利于所述過(guò)流面獲得較好的水力性能，但同時(shí)又會(huì) 增加栗站的土建投資，故需要兼顧提高出水流道水力性能和控制栗站土建投資兩方面的要 求，提出合理的尺寸；I級(jí)尺寸對(duì)栗站土建工程量和出水流道水力性能影響都很大，各種型 式出水流道的I級(jí)尺寸均為出水流道進(jìn)口斷面中心點(diǎn)至出口斷面的水平距離（以下簡(jiǎn)稱出 水流道長(zhǎng)度）、出水流道出口斷面寬度（以下簡(jiǎn)稱出水流道寬度)和水栗葉輪中心線至出水 流道最高點(diǎn)的垂直距離（以下簡(jiǎn)稱出水流道高度）；II級(jí)尺寸對(duì)栗站土建工程量影響較小、 對(duì)出水流道水力性能影響較大，II級(jí)尺寸與流道型式有關(guān)，不同型式的出水流道具有不同 的II級(jí)尺寸，差別很大；以I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸為幾何變量，構(gòu)建出水流道三維形體過(guò)流面；
[0014] 5.對(duì)每種型式出水流道進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿真和優(yōu)化計(jì)算，內(nèi)容包括：（1)對(duì)I級(jí) 尺寸逐一采用單因素分步優(yōu)化的方法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值仿真和優(yōu)化計(jì)算；（2)在第（1)步驟完成 后，對(duì)II級(jí)尺寸逐一采用單因素分步優(yōu)化的方法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值仿真和優(yōu)化計(jì)算;對(duì)各種型 式出水流道分別進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿真和所述幾何變量?jī)?yōu)化計(jì)算，以了解和掌握流道各I 級(jí)尺寸、II級(jí)尺寸影響出水流道三維形體過(guò)流面水力性能的變化趨勢(shì)和基本規(guī)律;根據(jù)對(duì) 各種型式出水流道優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果并兼顧控制栗站土建尺寸的要求，得到以水栗葉輪直徑 Do表示的I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸(單位為m，下同）的最優(yōu)取值范圍；
[0015] 6.根據(jù)得到的I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸的最優(yōu)取值繪制出水流道單線圖。
[0016]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0017] 1.應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)商用軟件對(duì)大流量栗站出水流道進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿真， 為掌控出水流道三維形體過(guò)流面的流態(tài)及水力性能提供必要條件;具體要求如下：
[0018] (1)三維流場(chǎng)仿真的區(qū)域包括直管段、出水流道段和出水池段，出水池段的長(zhǎng)度和 底坡取自所述大流量栗站設(shè)計(jì)值，直管段的直徑與出水流道進(jìn)口斷面的直徑相等，直管段 的長(zhǎng)度為直管段直徑的兩倍;直管段的出口斷面與出水流道段的進(jìn)口斷面連接，出水流道 段的出口斷面與出水池段的進(jìn)口斷面銜接;應(yīng)用三維造型軟件對(duì)所述三維流場(chǎng)的仿真區(qū)域 建模；
[0019] (2)直管段采用⑶0PER混合網(wǎng)格，出水流道段采用T-GRID網(wǎng)格，出水池段采用 COOPER混合網(wǎng)格;所述仿真區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)不少于4.0 X 105;
[0020] (3)流場(chǎng)仿真的邊界條件：出水流道流場(chǎng)計(jì)算的進(jìn)口邊界設(shè)置在直管段進(jìn)口斷面， 采用速度進(jìn)口邊界條件，其進(jìn)口平均法向流速為
[剛]v =備(m/s)
[0022] 式中：Q為栗站單栗設(shè)計(jì)流量，m3/s; D為出水流道進(jìn)口斷面直徑，m;
[0023] 考慮到水栗導(dǎo)葉體出口水流具有一定的環(huán)量，根據(jù)模型試驗(yàn)研究的結(jié)果，在直管 段的進(jìn)口斷面設(shè)置適量的水流旋轉(zhuǎn)角速度；
[0024]出水流道流場(chǎng)計(jì)算的出口邊界設(shè)置在出水池段出口斷面，采用自由出流邊界條 件；出水流道段邊壁、出水池段底壁和直管段邊壁采用固壁邊界條件，固壁邊界的粗糙度為 0.001m;出水池段兩側(cè)面為無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的水體，采用粗糙度為零的邊界條件；出水池段表面 采用對(duì)稱邊界條件；
[0025] 2.根據(jù)第1步三維流場(chǎng)數(shù)值仿真的結(jié)果計(jì)算所述出水流道三維形體過(guò)流面的水頭 損失：
[0026] Δ h = Ε?^ΜοΜπ?Μ
[0027] 式中：Ah為出水流道水頭損失，m;
[0028] E制疏1M湎為出水流道進(jìn)口斷面的能量水頭，m;
[0029] E制疏勘_為出水流道出口斷面的能量水頭，m;
[0030] 經(jīng)過(guò)系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)研究，得到高性能大流量栗站出水流道三維形體過(guò) 流面設(shè)計(jì)工況水頭損失指標(biāo)列于表1;
[0031 ]表1高性能大流量栗站出水流道三維形體過(guò)流面設(shè)計(jì)工況的水頭損失指標(biāo) Γηη.??1
L〇〇33」3.在研咒出水流道三維形體的主要幾何尺寸影響其過(guò)流面水力性能基本規(guī)律的 基礎(chǔ)上，將影響出水流道三維形體過(guò)流面的流態(tài)及其水力性能的主要幾何尺寸分為I級(jí)尺 寸和II級(jí)尺寸；I級(jí)尺寸對(duì)栗站土建工程量和出水流道水力性能影響都很大，各種型式出水 流道的I級(jí)尺寸均為出水流道的長(zhǎng)度、寬度和高度；II級(jí)尺寸對(duì)栗站土建工程量影響較小、 對(duì)出水流道水力性能影響較大，II級(jí)尺寸與流道型式有關(guān)，不同型式的出水流道具有不同 的II級(jí)尺寸；以I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸為幾何變量，構(gòu)建出水流道三維形體過(guò)流面；
[0034] 4.對(duì)每種型式出水流道進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿真和優(yōu)化計(jì)算，內(nèi)容包括：（1)對(duì)I級(jí) 尺寸逐一采用單因素分步優(yōu)化的方法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值仿真和優(yōu)化計(jì)算；（2)在第（1)步驟完成 后，對(duì)II級(jí)尺寸逐一采用單因素分步優(yōu)化的方法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值仿真和優(yōu)化計(jì)算;對(duì)各種型 式出水流道分別進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值仿真和所述幾何變量?jī)?yōu)化計(jì)算，以了解和掌握流道各I 級(jí)尺寸、II級(jí)尺寸影響出水流道三維形體過(guò)流面水力性能的變化趨勢(shì)和基本規(guī)律;根據(jù)對(duì) 各種型式出水流道優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果并兼顧控制栗站土建尺寸的要求，得到如下以水栗葉輪 直徑Do表示的I級(jí)尺寸和II級(jí)尺寸的最優(yōu)取值范圍：
[0035] (1)低駝峰式出水流道主要幾何變量的最優(yōu)取值范圍
[0036] I級(jí)尺寸：出水流道長(zhǎng)度XL= (6.0~8.0)Do，