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学号11××××××××

年级11级

本科毕业论文

×××××××××××××

×××××××

专业

姓名×××

指导教师

评阅人××××××

二○一五年五月

中国南京

摘要

在全球能源日趋紧张和我国农业大力发展的今天，提高大型泵站装置效率是一项十分重要的工作。

贯流泵装置是一种新型低扬程泵站结构形式，由进出水流道、安装电机的贯流泵组成。

该装置将泵站的引水与排水相结合，进、出水流道顺直，水力损失小，机组结构简单紧凑，造价低,便于实现双向抽水等特点,特别适用于城市防洪排涝工程及农业排灌工程之中。

目前，针对贯流泵装置效率偏低、研究偏少的状况，本文正是以某泵站贯流泵装置为研究对象，通过CFD技术对其进行了性能优化设计及模型装置的综合性能研究.

主要的研究内容及成果如下：

（1）根据资料,建立研究对象的三维计算模型,并对其进行非结构化网格划分及边界条件的设定,基于不可压缩连续方程、雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型，建立了全流道三维湍流数值方法。

（2）通过正反向工况三维数值模拟，开展叶片翼型及叶轮安放位置、导叶翼型及导叶安放位置的几何参数优化，获得最优模型为叶片采用A叶片型式,叶轮离竖井位置为210mm,导叶采用不对称导叶型式，导叶离叶轮出口距离为23mm的模型.

（3）对最优模型进行了综合水力性能的数值计算及分析,得到了模型正反向综合特性曲线与内部流场分布规律。

最优模型装置正向效率为67.23%,反向最高效率为58。

32%，较优化前模型实验数据，设计工况下正反向效率均提高了5%以上，达到了优化设计的目的。

关键词：

双向贯流泵CFD性能优化综合特性

Abstract

Accompanyingbytheglobalenergyshortageandourcountryagriculturevigorouslydevelopmentdaybyday，itisveryimportanttoimprovethepumpinstallationefficiencyforlargepumpingstation.Thebidirectionalpitpumpinstallationisanewkindstructureformoflow—lift-headpumpingsystem.Itiscomposedofinletandoutletconduit,pitforerectingmotorandbidirectionalpump.Thispumpingsystemwhichcombineswaterdiversionwithdrainagehasimportantcharacteristicsofstraightflow,smallhydraulicloss,lowinvestmentandsimplestructure.Anditisalsoeasytorealizethebidirectionalpumping.Itisespeciallysuitableforurbanfloodcontrolanddrainageandagriculturalirrigationanddrainageengineering.

Atpresent,owingtofewresearchesandlowefficiencyforthebidirectionalpitpumpinstallation，inthispaper，CFD（ComputationalFluidDynamics）technologyisappliedtoitsperformanceoptimizationdesignandcomprehensiveperformanceresearch。

Maincontentsandresearchachievementsareshownasfollowing:

（1）The3Dgeometricmodelofresearchobjectisestablishedaccordingtooriginalinformation,andthencarriesontheunstructuredmeshandboundaryconditions，the3Dsteadyturbulentflowofpumpinginstallationbasedontheincompressiblecontinuityequation,theNavier-StokesequationsandtheSpalart—Allmarasturbulencemodel，establishedof3Dturbulentflowthroughthefullpassageofnumericalmethod。

（2）Throughthepositiveandreverseconditionnumericalsimulation，developingbladeandguidevaneandplacementoptimizationofgeometryparameters，obtainingtheoptimalmodelforimpellertypenamedA，awayfromtheshaftfor210mmandasymmetricguidevanewhichawayfromtheimpelleroutletof23mm。

（3）Theoptimalmodelforthecomprehensivehydraulicperformancenumericalcalculationandanalysis，obtainedthemodelpositiveandreversesyntheticcharacteristiccurveandinternalflowfielddistributionrule.Optimalmodelofdevicepositiveandreverseefficiencyof67。

23%and58。

32％,comparedwiththeexperimentaldataofbefore，designconditionefficiencyisincreasedbymorethan5％,hasreachedthepurposeofoptimization.

Keyswords:

Twodirection,Shafttubularpump，CFD，Performanceoptimization，Syntheticcharacteristic

第一章绪论

1.1研究背景和现实意义

自然界存在着多种能源，目前已被开发利用的能源主要有热能、水能、风能和核能,其中水能是一种清洁的可再生能源[1］。

而水利又是我国农业发展的基本保证，我国是以农业为基础的发展中国家,农业的发展是我国国民经济的命脉，农业的发展直接关系到我国国民经济发展的好坏。

在我国，应力求水能资源得到合理的优化配置,实现水能资源的可持续发展.在农业生产中,灌溉和排涝对农业生产有着重大影响，改善排灌条件、提高泵站效率不仅对提高农业生产力有着巨大的促进作用，而且有利于降低自然灾害对农业生产的不利影响。

我国北方水资源匮乏,而南水北调工程则是解决我国北方水资源严重匮乏的重要战略举措，南水北调工程东线工程具有扬程低、流量大、年运行时间长等特点,这些对泵站的效率都提出了严格的要求。

像这种跨流域调水的重大工程对于解决由于水资源匮乏而带来的一系列生态问题也有明显促进作用。

因此,提高泵站效率，实现水资源利用程度最大化将会具有重大意义。

新中国成立以来，机电排灌事业得到充分发展，而泵站是机电排灌的主体工程，它集灌水、排水、供水、调水作用于一身，在跨流域调水中扮演着重要角色.从新中国成立开始到其后的50年间,我国的排灌泵站在抗御洪涝干旱灾害，保证农业稳产与增产，改善农业生产条件，以及跨流域调水，解决城镇供水，促进国民经济各部门发展中发挥了重要作用,取得了显著地经济效益与社会效益[2]。

纵观我国泵站建设的特点就是速度快、类型多、规模大、范围广；合理规划、优化选型、精心设计、精心施工；加强管理、优化运行、节能节水、效益显著。

虽然我国水泵及泵站的数量、规模已有较快的发展，但同时也存在一些缺点，主要是不少泵站装置效率偏低，能源消耗大,抽水成本高,灌区工程配套不齐全，机电产品类型和质量问题等，致使一些泵站经济效益低。

此外，在某些技术方面与国外先进技术相比，也还有一定的差距，有待于加大科研力度，希望通过更多水利工作者不断地探索与实践，争取赶上和超过国外先进水平［3].

贯流泵装置具有进出水水流平顺流畅、水力损失小、装置效率高等特点，特别适合于低扬程泵站工程,具有较大的应用价值和发展潜力。

已有的贯流泵在正向抽水时具有较好的水力性能，而反向抽水时效率却极低（约30％～40%）,为了满足双向抽水的要求，需要进一步研制贯流泵，但贯流泵不只是单向动能的回收与单向导流问题，为了提高泵站的整体效率需要从整个过流部件、导叶以及原动机等布置与合理优化等方面着手［4］.贯流泵装置作为一种低扬程泵站结构形式，它将电机、齿轮箱安装在钢筋混凝土竖井内,具体特点如下：

（1）水泵进、出水流道顺直、泵站装置效率较高：

（2）与灯泡贯流泵装置相比，通风防潮条件好，运行和维护方便；（3）竖井本身尺寸笨重、刚度大，受力及变形分析简单，传力路径明确［5]。

基于以上特点,加上泵的优点，我们将两者结合起来，于是贯流泵装置应运而生.

贯流泵具有双向运行的特点,正向工况可作为引水工况则其反向工况可作为排涝工况，这种运行特点很符合现如今农业水利发展的需要。

但是作为双向泵,要同时兼顾正向与反向的运行效率是比较困难的，这也是现如今水利工作者、专家对贯流泵的研究重点。

影响泵装置效率的主要是水流流态，对贯流泵内水流流态的分析目前可以大力借助CFD技术。

CFD的应用与计算机技术的发展密切相关。

随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学（简称CFD）作为流体力学的一个分支已逐步走向成熟,它在流体机械的研究和设计中得到了越来越广泛的应用。

通过CFD数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、能量损失、压力脉动等）的分布，以及这些物理量随时间的变化,充分实现了流场的可视化，为我们分析问题、解决问题等提供了可靠的理论基础，同时也克服了理论分析方法和实验测量方法的弱点。

本文借助于CFD技术，通过对贯流泵装置内正反向工况的水流流动特性进行研究,经过数值计算，分析贯流泵的叶片与导叶型式及其安放位置对水流流态的影响进而实现泵装置的性能优化.最终得到水力性能较好的模型，分析贯流泵装置的整体性能，为日后提高贯流泵装置的效率和减少泵站基建投资提供理论参考，对我国贯流泵的发展具有重要的现实意义。

1.2研究现状

双向竖井贯流泵具有双向运行的特点和要求,其叶片及导叶翼型的设计也与单向贯流泵或竖井泵不同,若能兼顾双向运行的效率，将会对农业发展及城市防洪工程的建设做出巨大贡献。

近几十年来，国内外许多专家、学者都曾对双向竖井贯流泵