基于梯形转叶螺旋流消能装置消能过程的数值模拟研究

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1、基于梯形转叶螺旋流消能装置消能过程的数值模拟研究第一章绪论1.1问题的提出及研究的意义随着我国经济社会的快速发展，城镇化步伐加快，人口数量急剧增长，工业、农业以及生产生活用水需求量增大。然而有限的地下水日开采量既不能满足社会的发展又不利于生态环境的可持续发展。根据水资源分布的地区性特点，长距离输引水、调水成为当前解决水资源短缺的首选方式，而在普通的明渠输水过程中，水质难以保护，沿程水量损失，占用耕地，这样就导致了供水成本升高，尤其是在严寒地区，冬季进行明渠输水是不合理的，因此长距离有压管道输水成为科学合理的供水方式之一。在有压输水管道系统中，水流运动的

2、原动力是势能转换为机械能，只有当起始重力势能超过水流在输送过程中的沿程损失与局部损失之和，水流才能运达目的地。有压管道供水的优点：（1）供水量大。管道输水供水时间不受时间限制，输水管道可以连续运行，比如一条管径为350mm的管道在经济流速的情况下年供水量可达到304万m3；（2）管道供水是埋在土壤之下，它可以减少耕地占用量、不受复杂地理条件的限制，工程投资相对较少；（3）有压管道输水工程的建设工艺简单，维修简单，高水头的作用下水流会自动流动，因此其实现了节能和高度的自动化，用人较少，使运行费用大大降低；（4）对输水线路周边建筑物没有安全威胁，不影响地表

3、的固有价值；（5）可以大量的节约工程量、减少工程建设投资、水质可以得到保证，沿程水量损失少，不受天气环境的影响等优点。位于山西省五台县的唐家湾水库跃进二渠延伸工程就是一个有压输水工程的典型例子，相对于传统的明渠输水方案而言，有压输水工程可以比明渠建设工程量节约了将近三分之一，随之投资下降超过一成；节约将了近一成的水量，为工程节省将近35万元的投资[1]。在长距离输水工程上，有压管道输水具备非常多的传统输送工程所不具备的众多优点，但该种输水方式也存在着许多管道水流动力学问题[2][3]，这些问题有时会影响供水系统的供水能力甚至会对工程产生致命性的威胁。.

4、1.2国内外研究现状螺旋流与我们生活息息相关，如飞机就是利用涡轮产生的螺旋流以实现起飞的目地，然而螺旋流的存在既有有利的一面也有不利的一面，如龙卷风就是一个大型空气螺旋流。在远距离、高水头压力输水工程中，当有斜侧面入流的压力作用时，管路中也会产生螺旋流，根据试验装置研究可知，螺旋流对有压输水具有很好的消能作用，但是螺旋流的流场内部流场流态复杂，有时不合适的利用螺旋流消能可能会导致不必要的危害。因此，为了能够了解螺旋流形成的原理以及整个消能过程，科研工对螺旋流做了大量的研究和探索，但在对螺旋流研究过程中，科研工遇到了许多的水力学上的难点难题。这就使得对螺

5、旋流特性研究成为新型的研究课题之一。国内外科学工从理论分析、科学试验和数值模拟计算等方面进行综合探究，由于过去计算机技术的应用不足，人们探究的方法主要有理论计算，试验装置研究，并且确定了各个参数对螺旋流影响程度，最后实现螺旋流在实际工程中的利用，并取得了部分成果。如螺旋流在矿石分离中的运用、石油开采过程中的螺旋流运用。螺旋流产生的方式多种多样，其中主要方式不外乎通过在通道入口安装起旋器、叶栅或带状导流片、周向喷射、旋转轨道产生[6]。以下主要从理论计算、试验装置研究以及数值模拟计算三个方面对螺旋流进行科学研究与模拟。第二章管道螺旋流消能装置2.1螺旋流

6、消能的基本理论与形式目前国内外已经对螺旋流流场有很多研究，使得人们对螺旋流有了更加清晰地认识。螺旋流流场内部的粒子速度可以分解为轴向、切向以及径向三个方向上的分速度。当研究螺旋流的运动状态时，切向速度不能被忽略，其对粒子运动方向起着重要的作用。管道消能装置内部的水流在流动过程中发生能量损失的两个必要条件是：（1）液体粒子发生相对运动时，两者之间存在粘滞力；（2）在液体流动过程，液体的固体边界条件发生改变。内部多余的机械能在液体的不规则运动中以热能的方式逐渐散掉。研发结构更加优化、消能效率更高的螺旋流消能装置是数值计算模拟的目的。数值模拟的建立将有助于科

7、技工了解各种水流物理因子对螺旋流的产生、运动和消散过程中所起到的作用。本文依据整理多年的研究资料并结合各种管道消能问题，归纳出了已经被研究过并取得积极成果的几种经典的管道耗能装置，以及各个耗能装置在运行过程中的水力学特征、装置的耗能原理以及装置的消能比。.2.2转叶式螺旋流消能装置试验研究转叶式螺旋流消能装置是在孔板螺旋流消能装置的基础上，为解决孔板螺旋流过流能力问题以及提高管壁处的螺旋强度而专门设计的。该消能装置的试验研究需要设备主要是由地下水库、水泵、电磁流量计、阀门、消能装置以及集水箱组成。为了测量数个测压点的压力值，因此本次试验还需用到的测量设

8、备有：电容式压力变送器和电容式差压变送器。具体的试验步骤是利用已经选好的水泵将水从地下水库抽入