雙吸離心泵內(nèi)部流動(dòng)模擬與輸水管道系統(tǒng)安全問題研究

【摘要】：水泵和管道是供水系統(tǒng)的基本水力元件。對(duì)于長距離管道供水系統(tǒng)來說,以下三個(gè)方面值得深入研究：①雙吸離心泵內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬。水泵的能量特性、汽蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性是水泵設(shè)計(jì)的三大基本問題。在西北沿黃地區(qū),由于供水系統(tǒng)的水泵揚(yáng)程和流量較大,一方面難以從現(xiàn)有水泵型譜圖上選擇合適的雙吸離心泵,需要結(jié)合工程參數(shù)進(jìn)行泵的水力設(shè)計(jì),另一方面,由于泵內(nèi)流動(dòng)特征決定著水泵的性能,減小泵內(nèi)壓力脈動(dòng)既是提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的重要措施,也是降低高含沙水流對(duì)泵內(nèi)過流部件磨蝕的關(guān)聯(lián)需求。因此,開展泵內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬,正確認(rèn)識(shí)和控制速度場和壓力場的分布,對(duì)于優(yōu)化水泵的設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值；②水錘防護(hù)措施優(yōu)化。長管線系統(tǒng)在發(fā)生事故停泵后,極易在管線的局部凸起點(diǎn)出現(xiàn)水柱分離及其再彌合現(xiàn)象,產(chǎn)生巨大的彌合水錘壓力,因此,對(duì)工程中常用的單向調(diào)壓塔和空氣閥的防護(hù)特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行研究,對(duì)于保障工程安全、降低工程投資具有重要的意義。③PCCP管的流體--結(jié)構(gòu)耦合分析。由于PCCP管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,有關(guān)PCCP管的有限元分析模型尚不成熟,有關(guān)PCCP管在水錘壓力下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)更不多見。因此,開展PCCP管的有限元計(jì)算和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)于保證管道安全,也具有重要的意義。

論文進(jìn)行了葉輪交錯(cuò)布置式雙吸離心泵全流道三維定常數(shù)值計(jì)算。依據(jù)改進(jìn)的水泵設(shè)計(jì)方法,針對(duì)寧夏寧東供水工程,設(shè)計(jì)了葉輪交錯(cuò)布置式雙吸離心泵,并采用不同湍流模型對(duì)所設(shè)計(jì)水泵的內(nèi)部定常流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算；基于逆向工程的方法,通過激光掃描得到國外同參數(shù)真機(jī)產(chǎn)品的模型,并進(jìn)行內(nèi)部定常流動(dòng)的CFD仿真；將所設(shè)計(jì)水泵的外特性與國外真機(jī)產(chǎn)品的外特性進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：對(duì)于雙吸離心泵的外特性分析,5種湍流模型的預(yù)測(cè)結(jié)果相差并不大,綜合考慮模擬精度、節(jié)省計(jì)算資源等因素,推薦使用RNGκ-ε模型或SSTκ-ω模型進(jìn)行雙吸離心泵內(nèi)部流場的定常數(shù)值模擬；CFD模擬結(jié)果表明,采用本文提出的改進(jìn)方法設(shè)計(jì)的泵揚(yáng)程比國外真機(jī)產(chǎn)品略高,效率略低,說明該方法是可行的。

論文采用大渦模擬方法進(jìn)行了葉輪交錯(cuò)布置式雙吸離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬,得到的平均揚(yáng)程及平均水力效率與真機(jī)值更為接近,但比穩(wěn)態(tài)計(jì)算需要更高的計(jì)算機(jī)硬件資源及計(jì)算時(shí)長。在設(shè)計(jì)流量工況下,雙吸離心泵隔舌處的壓力脈動(dòng)頻率與葉片通過頻率一致,不同的葉輪布置方式導(dǎo)致了不同的壓力脈動(dòng)水平。數(shù)值模擬結(jié)果表明,與對(duì)稱布置式葉輪相比,交錯(cuò)布置式葉輪在隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值更低,頻牢更大。對(duì)稱布置式葉輪在隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值是交錯(cuò)布置式葉輪的1.58倍,這是由于對(duì)稱布置式葉輪葉片頂端的壓力分布不均導(dǎo)致的。

論文紅闡述水錘基本方程及邊界條件數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分別對(duì)重力有壓供水系統(tǒng)和泵系統(tǒng)中的水錘問題進(jìn)行了分析,結(jié)果表明：對(duì)于管道較長的重力有壓供水系統(tǒng),關(guān)閥水錘計(jì)算應(yīng)計(jì)入水力摩阻；閥門的過流特性對(duì)重力有壓供水系統(tǒng)的關(guān)閥水錘有較大影響,末端調(diào)流閥相對(duì)開度隨行程開度的變化曲線應(yīng)采用“先急后緩”的變化趨勢(shì)；依據(jù)瞬變流反問題基本理論,建立了末端閥關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化模型,工程實(shí)例計(jì)算表明：在關(guān)閥總時(shí)間相同的條件下,“先快后慢”的閥門關(guān)閉規(guī)律使相對(duì)開度隨時(shí)間“先急后緩”的變化趨勢(shì)進(jìn)一步加大,更有利于降低水錘壓力,節(jié)省工程投資。

影響緩閉型空氣閥防護(hù)效果的參數(shù)主要有：進(jìn)氣孔面積與流量系數(shù)的乘積(CinAin)、排氣孔面積與流量系數(shù)的乘積(CoutAout)、限流盤中孔而積與進(jìn)排氣口面積比μ、限流盤上升時(shí)的管內(nèi)絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐菿p及空氣閥安裝位置。在空氣閥位置根據(jù)地形確定的條件下,論文以上述4個(gè)參數(shù)及泵出口閥關(guān)閉規(guī)律參數(shù)為決策變量,以管線中的水錘壓力最小為目標(biāo)函數(shù),建立了緩閉型空氣閥參數(shù)的優(yōu)化模型,并采用遺傳算法求解。

影響單向調(diào)壓塔水錘防護(hù)效果的主要參數(shù)有：單向調(diào)壓塔的作用水頭、單向調(diào)壓塔的容積(在水頭確定的條件下,決定于塔體直徑)和補(bǔ)水管的直徑。論文以上述3個(gè)參數(shù)及泵出口閥關(guān)閉規(guī)律參數(shù)為決策變量,以機(jī)組倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和泵出口閥后點(diǎn)最大水錘壓力滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求為約束條件,以單向調(diào)壓塔容積最小為目標(biāo)函數(shù),建立單向調(diào)壓塔參數(shù)的優(yōu)化模型,并采用遺傳算法求解。

論文將緩閉型空氣閥和單向調(diào)壓塔參數(shù)的優(yōu)化模型應(yīng)用到寧夏寧東供水工程,確定了可行的水錘防護(hù)措施。

論文采用大型有限元軟件ANSYS建立PCCP管的有限元計(jì)算模型,探討其預(yù)應(yīng)力模擬方法,分析PCCP管的變形、應(yīng)力變化特征,研究PCCP管的固有頻率及其模態(tài),并開展PCCP管在水錘波作用下的動(dòng)力特性研究。結(jié)果表明：PCCP管在預(yù)應(yīng)力、自重、回填土壓、流體自重和內(nèi)水壓力的作用下,管體發(fā)生橢圓形變形,內(nèi)層管芯混凝土內(nèi)、外側(cè)及外層混凝土內(nèi)側(cè)應(yīng)力分布相似,而外層混凝土的外側(cè)與砂漿保護(hù)層的應(yīng)力變化相似；施加內(nèi)水壓力后,內(nèi)部混凝土的主應(yīng)力仍處于壓力狀態(tài),但管外表面的砂漿層存在較大的拉應(yīng)力；不同階次的固有頻率表現(xiàn)出不同的振型,在實(shí)際管路系統(tǒng)中應(yīng)考系統(tǒng)固有頻率的影響,盡量使管路與激勵(lì)源頻率相差較大,以避免共振的發(fā)生；PCCP管在水錘壓力作用下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng),管道振動(dòng)的最大位移發(fā)生在管道中間位置處,當(dāng)水錘壓力出現(xiàn)最大值時(shí),PCCP管振幅、應(yīng)力達(dá)到最大值,PCCP管振動(dòng)響應(yīng)曲線與水錘波變化規(guī)律一致。

論文最后對(duì)下一步研究方向進(jìn)行了展望,指出依據(jù)兩相流理論,開展高含沙條件下雙吸離心泵磨蝕與汽蝕耦合作用機(jī)理及抗磨蝕措施的研究,對(duì)于延長機(jī)組檢修周期、提高機(jī)組壽命具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。另外,開展PCCP管在緊耦合條件下的流固相互作用分析,進(jìn)一步揭示PCCP管流固耦合的機(jī)理,也值得進(jìn)一步深入研究。

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總結(jié)

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