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泵站进水池中涡旋结构及尺度效应的实验与模拟研究

2020-12-08阅读(1005)

泵站进水池中涡旋结构及尺度效应的实验与模拟研究

论文摘要

进水池是泵站工程中重要的组成部分,其流态及水力特性对水泵性能有着重要的影响,不良的流态往往伴随着涡旋等水力现象的出现。进水池中可能出现的涡旋,一般分为自由表面涡旋和液下涡两种,这些高度不稳定的涡旋是影响泵站运行效率及稳定性的重要因素。因此研究进水池中的流动规律及涡旋的生成原因具有重要意义。为研究泵站进水池中的涡旋,采用流体体积(VOF)方法及嵌入式大涡模拟(ELES)方法对进水池中的流动和相关涡旋进行数值模拟。系统分析ELES湍流模型所采用的网格,并将数值模拟结果与PIV拍摄的关于平均速度和涡量场的实验结果进行了比较,说明本模拟方法可以用来进一步深入探讨二阶湍流参数,如湍动能和雷诺应力。然后根据自由表面的时空特征来表征涡旋演化的过程,通过ELES模拟结果利用湍动能和雷诺应力揭示涡旋周围的各向异性湍流结构以及动量的传递的过程,对进水池中涡旋形成和演化的基本机制进行了深入的探讨。前人针对泵站进水池中的涡旋问题进行了大量的研究,但关于涡旋实验中可能存在的尺度效应现象尚未得出统一的结论。当模型的雷诺数小于临界值时,就有可能发生尺度效应,导致模型实验“失真”。前人寻找发生尺度效应的临界雷诺数时,基本上都是对原型按照通用的涡旋模型相似准则进行比例缩放进行水工实验,这种方法往往要设计不同缩放比例的模型进行实验研究。本文以上述ELES与PIV方法对比结果为前提,通过改变运动粘度改变雷诺数,对相同模型相同模拟条件下的泵站进水池涡旋进行模拟研究,对比了不同雷诺数环量、切向速度大小,发现尺度效应在Re=220,00的模拟工况时发生,说明粘滞力开始起作用。针对传统泵站一般遵循ANSI/HI标准设计的消涡装置具有结构复杂、建造周期长、成本高等缺点,本文提出一种直接安装在吸水管上的十字消涡装置,为了验证本文提出的消涡装置对进水管周围涡旋的抑制作用,以某火电厂补给水泵站物理模型为实验平台,应用粒子图像测速(PIV)技术开展了模型实验研究。在满足模型要求的临界淹没深度前提下,选取两种流量(大、小)工况测试该消涡装置的效果。通过截取距离自由表面和壁面不同距离截面的PIV测量的涡量流线图对比了消涡装置对各种泵进口涡旋的影响。实验结果表明该消涡装置能够阻止壁面和自由表面产生的涡旋吸入泵内,对底涡的作用不大。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 涡旋的分类
  •   1.3 涡旋的危害
  •   1.4 国内外研究现状
  •     1.4.1 理论研究
  •     1.4.2 实验研究
  •     1.4.3 数值模拟
  •     1.4.4 问题的提出
  •   1.5 论文的主要内容
  •     1.5.1 涡旋机理
  •     1.5.2 尺度效应
  •     1.5.3 消涡装置
  • 第二章 进水池吸入口涡旋结构及湍流特性研究
  •   2.1 实验模型及实验设备
  •   2.2 临界淹没深度及实验工况的选择
  •   2.3 数值计算几何模型
  •   2.4 控制方程
  •   2.5 湍流模型的选择
  •     2.5.1 ELES模型（LES区域）
  •   2.6 自由表面处理
  •   2.7 边界条件设置
  •   2.8 网格分辨率及网格收敛性验证
  •   2.9 模拟与实验结果对比
  •   2.10 湍流特性研究
  •     2.10.1 表面涡与周围湍流的相互作用
  •     2.10.2 表面涡的空间特性
  •   2.11 本章小结
  • 第三章 泵站进水池中尺度效应研究
  •   3.1 数值模拟条件
  •   3.2 模拟结果及分析
  •     3.2.1 附底涡
  •     3.2.2 自由表面涡
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 泵进口一体式消涡装置的设计应用
  •   4.1 实验参数及设备
  •   4.2 临界淹没深度及实验工况的选择
  •   4.3 结果讨论
  •     4.3.1 自由表面涡
  •     4.3.2 附底涡
  •     4.3.3 侧壁涡
  •     4.3.4 后壁涡
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士期间发表的学术论文及参加的科研工作

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李普熙

    导师: 张德胜,赵睿杰

    关键词: 泵站进水池,涡旋,嵌入式大涡模拟,粒子图像测速技术,时空特性,尺度效应,消涡装置

    来源: 江苏大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地球物理学,水利水电工程

    单位: 江苏大学

    分类号: TV136.2

    总页数: 72

    文件大小: 7818K

    下载量: 102

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