中国地质大学计算机学院闫继宁,双吸离心泵内部流动模拟与输水管道系统安全问题研究...
双吸离心泵内部流动模拟与输水管道系统安全问题研究
【摘要】：水泵和管道是供水系统的基本水力元件。对于长距离管道供水系统来说,以下三个方面值得深入研究：①双吸离心泵内部流动的数值模拟。水泵的能量特性、汽蚀性能和运行稳定性是水泵设计的三大基本问题。在西北沿黄地区,由于供水系统的水泵扬程和流量较大,一方面难以从现有水泵型谱图上选择合适的双吸离心泵,需要结合工程参数进行泵的水力设计,另一方面,由于泵内流动特征决定着水泵的性能,减小泵内压力脉动既是提高机组运行稳定性的重要措施,也是降低高含沙水流对泵内过流部件磨蚀的关联需求。因此,开展泵内流动的数值模拟,正确认识和控制速度场和压力场的分布,对于优化水泵的设计、缩短设计周期具有重要的理论意义和工程应用价值；②水锤防护措施优化。长管线系统在发生事故停泵后,极易在管线的局部凸起点出现水柱分离及其再弥合现象,产生巨大的弥合水锤压力,因此,对工程中常用的单向调压塔和空气阀的防护特性及结构参数优化方法进行研究,对于保障工程安全、降低工程投资具有重要的意义。③PCCP管的流体--结构耦合分析。由于PCCP管道结构的复杂性,有关PCCP管的有限元分析模型尚不成熟,有关PCCP管在水锤压力下的结构动力响应更不多见。因此,开展PCCP管的有限元计算和结构动力学分析对于保证管道安全,也具有重要的意义。
论文进行了叶轮交错布置式双吸离心泵全流道三维定常数值计算。依据改进的水泵设计方法,针对宁夏宁东供水工程,设计了叶轮交错布置式双吸离心泵,并采用不同湍流模型对所设计水泵的内部定常流动进行计算；基于逆向工程的方法,通过激光扫描得到国外同参数真机产品的模型,并进行内部定常流动的CFD仿真；将所设计水泵的外特性与国外真机产品的外特性进行了比较分析。结果表明：对于双吸离心泵的外特性分析,5种湍流模型的预测结果相差并不大,综合考虑模拟精度、节省计算资源等因素,推荐使用RNGκ-ε模型或SSTκ-ω模型进行双吸离心泵内部流场的定常数值模拟；CFD模拟结果表明,采用本文提出的改进方法设计的泵扬程比国外真机产品略高,效率略低,说明该方法是可行的。
论文采用大涡模拟方法进行了叶轮交错布置式双吸离心泵内部非定常流动的数值模拟,得到的平均扬程及平均水力效率与真机值更为接近,但比稳态计算需要更高的计算机硬件资源及计算时长。在设计流量工况下,双吸离心泵隔舌处的压力脉动频率与叶片通过频率一致,不同的叶轮布置方式导致了不同的压力脉动水平。数值模拟结果表明,与对称布置式叶轮相比,交错布置式叶轮在隔舌处的压力脉动幅值更低,频牢更大。对称布置式叶轮在隔舌处的压力脉动幅值是交错布置式叶轮的1.58倍,这是由于对称布置式叶轮叶片顶端的压力分布不均导致的。
论文红阐述水锤基本方程及边界条件数学模型的基础上,分别对重力有压供水系统和泵系统中的水锤问题进行了分析,结果表明：对于管道较长的重力有压供水系统,关阀水锤计算应计入水力摩阻；阀门的过流特性对重力有压供水系统的关阀水锤有较大影响,末端调流阀相对开度随行程开度的变化曲线应采用“先急后缓”的变化趋势；依据瞬变流反问题基本理论,建立了末端阀关闭规律的优化模型,工程实例计算表明：在关阀总时间相同的条件下,“先快后慢”的阀门关闭规律使相对开度随时间“先急后缓”的变化趋势进一步加大,更有利于降低水锤压力,节省工程投资。
影响缓闭型空气阀防护效果的参数主要有：进气孔面积与流量系数的乘积(CinAin)、排气孔面积与流量系数的乘积(CoutAout)、限流盘中孔而积与进排气口面积比μ、限流盘上升时的管内绝对压力与当地大气压之比Kp及空气阀安装位置。在空气阀位置根据地形确定的条件下,论文以上述4个参数及泵出口阀关闭规律参数为决策变量,以管线中的水锤压力最小为目标函数,建立了缓闭型空气阀参数的优化模型,并采用遗传算法求解。
影响单向调压塔水锤防护效果的主要参数有：单向调压塔的作用水头、单向调压塔的容积(在水头确定的条件下,决定于塔体直径)和补水管的直径。论文以上述3个参数及泵出口阀关闭规律参数为决策变量,以机组倒转转速和泵出口阀后点最大水锤压力满足《泵站设计规范》的要求为约束条件,以单向调压塔容积最小为目标函数,建立单向调压塔参数的优化模型,并采用遗传算法求解。
论文将缓闭型空气阀和单向调压塔参数的优化模型应用到宁夏宁东供水工程,确定了可行的水锤防护措施。
论文采用大型有限元软件ANSYS建立PCCP管的有限元计算模型,探讨其预应力模拟方法,分析PCCP管的变形、应力变化特征,研究PCCP管的固有频率及其模态,并开展PCCP管在水锤波作用下的动力特性研究。结果表明：PCCP管在预应力、自重、回填土压、流体自重和内水压力的作用下,管体发生椭圆形变形,内层管芯混凝土内、外侧及外层混凝土内侧应力分布相似,而外层混凝土的外侧与砂浆保护层的应力变化相似；施加内水压力后,内部混凝土的主应力仍处于压力状态,但管外表面的砂浆层存在较大的拉应力；不同阶次的固有频率表现出不同的振型,在实际管路系统中应考系统固有频率的影响,尽量使管路与激励源频率相差较大,以避免共振的发生；PCCP管在水锤压力作用下会产生动力响应,管道振动的最大位移发生在管道中间位置处,当水锤压力出现最大值时,PCCP管振幅、应力达到最大值,PCCP管振动响应曲线与水锤波变化规律一致。
论文最后对下一步研究方向进行了展望,指出依据两相流理论,开展高含沙条件下双吸离心泵磨蚀与汽蚀耦合作用机理及抗磨蚀措施的研究,对于延长机组检修周期、提高机组寿命具有重要的理论意义和实际应用价值。另外,开展PCCP管在紧耦合条件下的流固相互作用分析,进一步揭示PCCP管流固耦合的机理,也值得进一步深入研究。
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