水源地取水泵站预沉曝气池及前池流态改善CFD研究

摘要

水源地取水泵站包括预沉池、曝气池、前池3个主要部分，取水泵站内流速小，水位变幅大，内部流态紊乱。当取水泵站内无水力优化措施时，预沉池内水流流态紊乱，曝气池及前池内存在回流区、死水区以及漩涡，取水泵站内的不良流态会导致曝气池及前池局部泥沙沉淀和入泵水流流速分布不均匀。本文通过CFD技术，对水源地取水泵站工程整流措施展开研究，重点研究了预沉池前穿孔花墙配水均匀性，预沉曝气池与前池联合运行时整体水力优化措施，以及多泵运行模式下前池内流动特性和水泵吸水均匀性的差异。研究成果对进一步改善取水泵站内水流流态，防止泥沙淤积，提高水泵运行的安全性、高效性有一定的指导意义，为多泵运行条件下开泵方式的选择提供参考。
　　(1)运用商用软件ANSYS14.5，紊流模型选取标准k-ε紊流模型。通过网格无关性分析，确定取水泵站整体网格总数为175.6万。
　　(2)预沉池穿孔花墙水力优化研究。不同水位条件下，不同形式（矩形、圆形、菱形）的穿孔花墙配水均匀性存在较大差异;采用菱形穿孔花墙进行配水，水流在预沉池内流速分布更加均匀，流态相对平顺，有利于泥沙等固体颗粒悬浮物的沉降。
　　(3)取水泵站内流动特性研究。对于斜坡闸孔入流取水泵站、斜坡扩散自由入流取水泵站，在无措施条件下，其内部流态较为紊乱，在曝气池廊道转角处、斜坡段均存在明显脱流、漩涡以及回流区，且水流进入前池后存在严重偏流问题。斜坡闸孔入流取水泵站在斜坡段存在大面积回旋区，水流以射流形式进入前池很难扩散均匀;斜坡扩散自由入流取水泵站则在斜坡段和前池内易形成大面积回流区。
　　(4)取水泵站曝气池流态改善研究。曝气池廊道转角处倒圆角、廊道转角内设U形导流墙和1/4弧形导流墙，有效地消除了廊道内存在的脱流、死水区;在斜坡段设双U形导流墙和等分双隔墩有效地改善了斜坡段明显的偏流问题，削弱了斜坡段回流漩涡的发生，使得水流相对平顺地进入前池。
　　(5)斜坡闸孔入流取水泵站前池流态改善研究。前池无整流措施时，水流通过闸孔射流形式直接撞击后壁，在两侧形成大面积回流，且各泵机组吸水均匀性差异较大，各泵喇叭管入口断面流速均匀度呈现倒V字分布，中间3＃机组吸水均匀性较高，两侧机组吸水均匀性较差。通过在前池内两闸孔中线处设置八字形导流墩、泵机组间设置隔墩、改变前池两侧直角翼墙等组合措施，明显改善了前池内流态及流速分布，特别是底层水流扩散均匀，基本无明显漩涡存在，且面层大面积回旋区得到较好地控制，各泵机组吸水均匀性均得到提高，各泵吸水均匀性差异明显减小。
　　(6)斜坡扩散自由入流取水泵站前池流态改善研究。前池无整流措施时，水流通过扩散段进入前池，在前池的两侧形成回流区，同时在靠近前池后壁处有局部漩涡发生;此时，各泵机组吸水均匀性呈现两侧机组高，中间机组低。通过在泵机组间设置隔墩、在前池内设置八字形导流墩、设置45°倾斜挡板等组合措施，明显改善了前池内流态及流速分布，提高了各泵机组吸水均匀性均。其中，隔墩高度的增加有利于改善前池面层流态，且减弱了底层各泵机组喇叭管口吸水时水流间的相互干扰。八字形导流墩位置宜设置在扩散段处，过分靠近后壁或偏向两侧，在前池中层和面层两侧翼墙处漩涡回流现象越严重，且各泵机组吸水均匀性提升相对最大;八字形导流墩扩散角宜取18°左右，扩散角过小，两侧泵机组吸水均匀性有明显下降，扩散角过大，前池局部漩涡增多;采用45°倾斜挡板对于斜坡扩散入流方案的取水泵站前池流态改善效果显著，随着倾斜挡板位置远离后壁方向移动，前池底层流速分布更加均匀，各泵机组吸水均匀性越好。
　　(7)不同开泵方式下，斜坡闸孔入流取水泵站前池水力特性研究。取水泵站内无措施条件下，不同的开泵方式对前池内流态的影响较小;同时运行1#、2#、3#、4#泵机组，各泵机组吸水均匀性较好，且差异较小，为无措施条件下较优运行方案。取水泵站采用优化措施后，在不同的开泵方式下，各运行方案前池底层的流线分布均较为均匀，无明显回流产生;在前池的中层存在不同程度的局部回流漩涡;在前池的面层流线分布较为均匀，且差异不明显，有局部漩涡发生在两侧倾斜壁面处;在运行方案4和运行方案3开泵方式下，各运行的泵机组吸水均匀性较高，其中运行方案4运行泵机组喇叭管入口断面流速均匀度均在72％以上，采用改善措施后的取水泵站宜采用运行方案4的开泵方式运行。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 预沉曝气池研究

1．2．2 前池整流措施研究

1．3 研究内容

1．4 小结

第2章 取水泵站CFD计算理论及方法

2．1 CFD计算基本原理

2．2 流体动力学方程

2．3 控制方程离散

2．4 紊流模型

2．4．3 SST k-ε模型

2．4．4 雷诺压力模型(Reynolds Stress)

2．4．5 紊流模型选取

2．5 网格剖分

2．5．1 网格分类

2．5．2 网格划分

2．5．3 网格无关性分析

2．6 小结

第3章 取水泵站预沉池配水穿孑L花墙水力优化

3．2 研究方案

3．3 穿孔花墙水力优化

3．3．1 矩形穿孔花墙

3．3．2 圆形穿孔花墙

3．3．3 菱形穿孔花墙

3．3．4 预沉池特征断面流速均匀性

3．4 取水泵站内流动特性

3．4．1 模型建立

3．4．2 边界条件设置

3．4．3 不同入流方案流动特性

3．5 小结

第4章 斜坡闸孔入流取水泵站流态改善

4．1 曝气池及泵站前池水力优化目标

4．2 斜坡闸孔入流取水泵站曝气池流态改善

4．2．1 研究方案

4．2．2 计算结果分析

4．3 斜坡闸孔入流取水泵站前池流态改善

4．3．1 研究方案

4．3．2 计算结果分析

4．4 小结

第5章 斜坡扩散自由入流取水泵站流态改善

5．1 斜坡扩散自由入流取水泵站前池流态改善

5．1．1 研究方案

5．1．2 计算结果分析

5．2 小结

第6章 多泵运行条件下前池内流动特性

6．1 多泵运行方案

6．2 不同开泵方式下前池水力特性

6．2．1 前池内流场特性

6．2．2 水泵吸水均匀性

6．3 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目和研究成果

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