雙向開敞式立式軸流泵裝置數(shù)值模擬

王 麗 張大恩 吳志旺 關(guān)醒凡

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223000；2.上海凡方流體機械有限公司，上海 200061；3.上海東方泵業(yè)（集團）有限公司，上海 200061）

1 概述

張家港市三干河樞紐工程由節(jié)制閘和泵站兩部分組成。泵站安裝3套2200ZLB13.4-2 開敞式立式軸流泵，配TL800/40 同步電機。泵裝置和泵站結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

泵站的下廊道為進水流道，上廊道為出水流道，流道兩端分別設置2道閘門。泵雖是單向運轉(zhuǎn)，但通過開閉4 道閘門可以改變進出水方向，進而實現(xiàn)水流雙向供水（排澇、灌溉）的運行目的。

張家港市三干河南延工程三干河樞紐工程泵站參數(shù)如表1 所示。

根據(jù)與本泵站相似的海洋涇泵站裝置試驗結(jié)果進行選型，選型結(jié)果如圖2 所示。

從結(jié)果可知，葉輪外徑2200 mm，轉(zhuǎn)速150 r/min，泵在0°運行，可以滿足設計要求，此時模型裝置效率為68%～70%。

2 模型的建立及邊界條件

2.1 計算模型和網(wǎng)格劃分

本次模擬以開敞式立式軸流泵的進水流道、葉輪、導葉及出水流道作為研究對象，主要的性能參數(shù)如表2 所示。

網(wǎng)格的劃分對計算結(jié)果極為重要，網(wǎng)格的質(zhì)量和疏密程度也會影響計算結(jié)果的準確性和可靠性?？紤]整個裝置的復雜性和計算機內(nèi)存的要求，本次采用Tetra/Mixed 網(wǎng)格，即采用對復雜邊界適應性較好的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為3607792。計算域及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

2.2 控制方程及湍流模型

采用工程廣泛應用的雷諾平均模型可描述泵裝置內(nèi)部流體的流動，筆者采用RNGκ-ε 模型以便更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。

RNGκ-ε 模型方程為：

圖1 三干河開敞式立式軸流泵結(jié)構(gòu)圖

表1 三干河南延工程三干河樞紐工程泵站特征揚程組合

圖2 泵裝置綜合特性曲線（海洋涇模型）

表2 各計算工況點參數(shù)

圖3 計算域及網(wǎng)格

其中：

2.3 邊界條件

以進水流道進口為泵裝置進口邊界，以質(zhì)量流量為進口邊界條件；以出水流道出口為泵裝置出口邊界，出口設置為自由出流；整個裝置的固體壁面采用無滑移條件，湍流壁面采用壁面函數(shù)法處理。

3 數(shù)值分析和結(jié)果對比

為研究引水和排澇工況泵裝置和泵流場狀態(tài)，筆者選取工況2 和工況3 的流場特征進行分析，如圖4～圖10 所示。

圖4 為泵裝置流線分布情況。從圖中可以看出，整個裝置在出水流道和進水流道封閉側(cè)產(chǎn)生較大的漩渦，流動十分紊亂。流體在進水流道后受葉輪的作用，大部分液體直接通過葉輪、導葉進入出水流道；一部分流體要到達進水流道封閉側(cè)，再經(jīng)過葉輪和導葉到達出水流道，這部分流體會在進水流道和出水流道封閉側(cè)產(chǎn)生較大漩渦。

圖4 泵裝置流線分布

圖5 葉輪工作面壓力云圖

圖6 葉輪背面壓力云圖

圖7 葉輪區(qū)域速度矢量

圖8 葉輪區(qū)域流線分布

圖9 導葉區(qū)域速度矢量

圖10 導葉尾部速度矢量

圖5～圖8 為葉輪區(qū)域的流動情況。由4 幅圖片可以看出，葉片工作面壓力高于葉片背面，葉輪區(qū)域流線整體較順暢；葉片進口邊外緣受到輕微沖擊；葉片進口邊外緣工作面和背面壓差較大，導致葉片進口邊外緣易發(fā)生汽蝕。

圖9～圖10 為導葉區(qū)域的流動情況。導葉片靠外緣部分流線順暢；葉片出水邊靠近輪轂處有不同程度的回流現(xiàn)象，液體運動速度方向發(fā)生了較大變化；導葉根部流動相對外緣較紊亂。

為說明CFD 模擬結(jié)果準確性和可靠性，將4 個工況的計算結(jié)果與選型結(jié)果進行比較，如圖11～圖12 所示。數(shù)值模擬結(jié)果和根據(jù)泵段和泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)選型結(jié)果相差不大，表明泵在運行中能滿足設計要求。

5 結(jié)論

圖11 H-Q 曲線

圖12 η-Q 曲線

（1）筆者對泵站的整個裝置進行了模擬，包括葉輪和導葉，相比不添加葉輪、導葉或假設葉輪和導葉的模擬更具真實性。

（2）由泵裝置流線分布圖可知，進、出水流道封閉側(cè)的流動較為紊亂，這也是雙向流道效率不高的重要原因。

（3）從模擬結(jié)果和泵段及泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)來看，兩者相差較小，表明本泵滿足運行要求。

［1］王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［1］關(guān)醒凡.軸流泵和斜流泵水力模型設計試驗及工程應用［M］.北京：宇航出版社，2009.