基于全模擬的水泵裝置模型虹吸出水流道水力特性分析

王芃也++劉超++徐磊++許健

摘要：虹吸式出水流道是大型泵站出水流道的主要形式之一，由于實(shí)際工程地形條件的限制，南水北調(diào)東線水源工程江都一站所采用的虹吸出水流道在工程設(shè)計(jì)中并不常見。針對江都一站泵裝置模型虹吸出水流道，通過CFX軟件對該泵裝置全流道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究虹吸出水流道內(nèi)部水流的運(yùn)動(dòng)特性、預(yù)測水力性能。計(jì)算結(jié)果表明管路水頭損失主要來自于彎管段的水頭損失，從出水流道進(jìn)口至出水流道出口渦量呈現(xiàn)下降趨勢，但是在出水流道出口，由于截面面積過大導(dǎo)致出口截面速度分布不均且引起了渦量的增加。對該泵裝置進(jìn)行外特性預(yù)測得到的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體趨勢基本一致，表明計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信。

關(guān)鍵詞：泵裝置模型；虹吸流道；數(shù)值模擬；水力特性；渦量

中圖分類號：TV131.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2016）06012807

Simulation analysis of the pump device model hydraulic performance of siphon discharge conduit

WANG Pengye，LIU Chao，XU Lei，XU Jian

（School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China）

Abstract：Siphon outlet conduit is one of the main forms of outlet conduit of large pumping station.Due to the limitation of actual engineering topographic features，the siphon outlet conduit adopted by the SouthtoNorth Water Diversion Project--Jiangdu NO.1 pumping station is not common in engineering design.According to the siphon discharge conduit in Jiangdu NO.1 pumping station，numerical simulation of the whole flow passage was conducted by CFX，the internal water flow movement characteristics of the siphon outlet conduit were studied and the hydraulic performance was predicted.The results showed that the lower head loss mainly came from the head loss of bending section.In outlet passage，vorticity showed a downward trend，but the cross section area was too large to cause the uneven distribution of the velocity of the outlet section and increase of the vorticity.External characteristics of the pump device prediction results were consistent with the test data of the overall trend，demonstrating that the calculation results were reliable.

Key words：pump device model；siphon discharge conduit；numerical simulation；hydraulic performance；vorticity

[JP2]我國大型泵站的出水流道形式主要有虹吸式和直管式兩種類型，其中虹吸式出水流道是一種最為常見的類型[1]。[HJ1.95mm]采用虹吸式出水流道其最主要的優(yōu)點(diǎn)是停機(jī)斷流方便可靠，即在停機(jī)的同時(shí)打開安裝在駝峰附近的真空破壞閥，利用流道內(nèi)外的壓力差放入空氣，從而切斷水流[2]，同時(shí)也便于管理，所以很多泵站都采用了虹吸式出水流道。我國建設(shè)的第一座大型抽水站——南水北調(diào)東線水源工程江都一站在工程設(shè)計(jì)過程中，為了更好的適應(yīng)工程結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)選用了整體底板虹吸出水，是典型的虹吸式流道[3]。這種站身結(jié)構(gòu)在縱向長度較小，泵房整體性好，投資省。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國在泵站數(shù)值模擬方面的研究也越來越廣泛[411]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對泵站虹吸式出水流道進(jìn)行了較多的研究，朱紅耕[1214]等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對大型泵站虹吸式出水流道（不包含水泵）進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了不同工況下的流態(tài)特點(diǎn)及水頭損失，譚淋露[1516]等對虹吸式出水流道（不包含水泵）進(jìn)行數(shù)值模擬，在分析內(nèi)部流態(tài)的基礎(chǔ)上通過改變影響虹吸出水流道水力特性的重要參數(shù)對其進(jìn)行水力優(yōu)化，李海峰[17]等采用數(shù)值模擬的方法，模擬虹吸流道內(nèi)（不包含水泵）虹吸形成的過程，分析了真空破壞閥排出的質(zhì)量流量，確定合適的關(guān)閥時(shí)間。

上述研究主要是只針對虹吸式出水流道進(jìn)行的數(shù)值模擬分析，不包含水泵。由于水泵出口環(huán)量較大，不包含水泵的模擬結(jié)果則不能反映出口渦量真實(shí)情況。本文通過CFX對江都一站泵裝置模型包含水泵進(jìn)行全模擬，著重分析虹吸出水流道內(nèi)部流態(tài)、水頭損失以及不同截面的渦量，為泵裝置性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1幾何建模及數(shù)學(xué)模型

1.1幾何建模

江都一站泵裝置模型主要由進(jìn)水池、進(jìn)水流道、葉輪及導(dǎo)葉、出水流道、出水池組成，其中虹吸出水流道由彎管段、上升段、駝峰段、下降段等部分構(gòu)成[18]，該泵裝置其模型示意圖見圖1。

4虹吸出水流道水力特性

4.1流線圖

選取了三種不同工況的流量：小流量工況Q=240 L/s、設(shè)計(jì)工況下的流量Q=340 L/s、大流量工況Q=400 L/s在上述三種工況的情況下，出水流道流線圖見圖3。

觀察流線圖可以看出：在三種工況下，流線所反映的無質(zhì)量粒子，穿過整個(gè)流體域的軌跡特點(diǎn)基本相同，水流剛進(jìn)入出水流道時(shí)，流線最為紊亂且可能存在漩渦，在出水流道上升段水流受離心力以及慣性的共同作用，水流質(zhì)點(diǎn)較多的聚集在管道外側(cè)，經(jīng)過駝峰段時(shí)流線出現(xiàn)分離現(xiàn)象，流線趨于平緩但仍然較為紊亂，通過下降段抵達(dá)出口處時(shí)無明顯漩渦，說明水流流態(tài)經(jīng)過駝峰段有著較為明顯的整流作用。通過對比三種工況下的流線圖發(fā)現(xiàn)：在小流量工況下，流線整體與設(shè)計(jì)工況下的流線相比更加紊亂，彎管段所產(chǎn)生的漩渦在三種工況下的流線中最為明顯。在設(shè)計(jì)工況流量下，流線整體比較平順且出口處的流線較為均勻，但是在彎管段及上升段，流線同其他兩種工況一樣比較紊亂。在大流量工況下，駝峰段流線與其他兩種工況相比最為紊亂，但在出口處流線較為均勻。

4.2速度矢量圖

[JP3]三種工況的情況下，出水流道速度矢量圖見圖4。

通過上述三種不同工況下繪制矢量圖，發(fā)現(xiàn)出口截面速度分布不均且底部速度較小，在這種情況下很容易引起脫流現(xiàn)象，考慮到出口截面的面積達(dá)到0934 66 m2而最高效率的流量為340 L/s，其出口截面的平均流速為0364 m/s，出口流速顯著偏低，可以考慮通過抬高出口底部高程從而減小出口截面的面積，一方面可以減少土方工程量，另一方面可以降低脫流現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3典型截面的靜壓云圖及流線圖

為了研究該泵裝置虹吸出水流道的內(nèi)部特性，分別在該泵裝置虹吸出水流道截取七個(gè)典型截面位置見圖5。

11截面為出水流道進(jìn)口即水泵導(dǎo)葉體出口截面，22截面位于出水流道彎管段，33截面為出水流道彎管段與上升段的交界面，44截面位于出水流道上升段，55截面位于出水流道駝峰段，66截面位于出水流道下降段，77截面為出水流道出口截面。

分別繪制圖5所示的七個(gè)截面位置在三種工況下的靜壓云圖以及相應(yīng)截面上的流線圖見圖6。

觀察圖6所示的各圖中的靜壓云圖發(fā)現(xiàn)：11截面位置從整體看三種工況下的壓力分布較為均勻，在外周邊存在高壓區(qū)，[JP2]但面積并不大。22截面位置在小流量工況下，管道外側(cè)存在高壓區(qū)；在設(shè)計(jì)工況下及大流量工況下，低壓區(qū)主要存在于管道外側(cè)。33截面位置在小流量工況下的整體壓力明顯高于其他兩個(gè)工況且管道外側(cè)存在大面積的高壓區(qū)；在設(shè)計(jì)工況下，壓力分布較為均勻；在大流量工況下，管道外側(cè)分布著小范圍的低壓區(qū)。在44截面位置，由于在此位置存在不穩(wěn)定的漩渦，其壓力分布不夠均勻，管道內(nèi)側(cè)邊緣存在高壓區(qū)；在設(shè)計(jì)工況下以及大流量工況下，管道外側(cè)存在較大面積的低壓區(qū)。55截面位置在小流量工況下及設(shè)計(jì)工況下，壓力分布比較均勻；在大流量工況下，壓力分布不均且低壓區(qū)面積較大的集中在管道內(nèi)側(cè)。66截面位置在三種工況下，管道從頂部至底部壓力逐步上升；在大流量工況下，管道頂部分布著較大面積的低壓區(qū)。77截面位置在三種工況下壓力分布較為相似，低壓區(qū)集中在出口截面頂部，出口截面底部存在著大面積的高壓區(qū)，主要是由于底部出口流速很小所致。

觀察圖6所示的各圖中的流線圖發(fā)現(xiàn)：11截面位置在小流量工況下，有明顯漩渦存在且漩渦呈不規(guī)則分布；在設(shè)計(jì)工況下，[HT]該截面存在著多個(gè)分布較為規(guī)則、相較于小流量工況下的漩渦強(qiáng)度有所下降的漩渦；在大流量工況下，[JP2]該截面流線較為規(guī)則，無明顯的漩渦存在。22截面位置在小流量工況下，管道內(nèi)側(cè)流線分布非常紊亂且存在明顯的漩渦；在設(shè)計(jì)工況下及大流量工況下，管道內(nèi)側(cè)存在漩渦但漩渦范圍不大、強(qiáng)度較小。33截面位置在小流量工況下，有一個(gè)非常明顯且強(qiáng)度較大的漩渦存在于管道內(nèi)側(cè)；在設(shè)計(jì)工況下及大流量工況下，管道外側(cè)有明顯的漩渦存在，但范圍相較于小流量工況下的漩渦明顯縮小。44截面位置在小流量工況下，流線相較于其他兩種工況最為規(guī)則，有一個(gè)較為明顯的漩渦存在；在設(shè)計(jì)工況下，存在兩個(gè)明顯的漩渦；在大流量工況下，管道中心位置存在著一個(gè)較大的漩渦同時(shí)內(nèi)側(cè)還存在兩個(gè)較小的漩渦。55截面位置在小流量工況下及設(shè)計(jì)工況下，流線圖較為相似，在管道內(nèi)側(cè)存在著兩個(gè)分布較為對稱的漩渦；在大流量工況下，流線圖較其他兩種工況下最為紊亂且存在著三個(gè)較為明顯的漩渦。66截面位置三種工況下流線分布都比較均勻，在管道外側(cè)邊緣都分布著兩個(gè)較小范圍的漩渦。77截面位置流線圖在三種工況下較為類似，整體分布較為規(guī)則且無明顯漩渦存在。

4.4水頭損失計(jì)算及分析

軸流泵裝置的特點(diǎn)是揚(yáng)程低，這[HJ1.97mm]就導(dǎo)致流道的水頭損失占裝置揚(yáng)程比值較大，對水泵裝置效率的影響明顯，所以裝置的水頭損失直接影響到工程的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益[19]。由于虹吸出水流道形狀較為復(fù)雜，沒有此類水頭損失的系數(shù)數(shù)據(jù)可以使用，計(jì)算其水頭損失理論難度比較大。因?yàn)槠淞鞯纼?nèi)部速度和壓力分布不規(guī)律，難以通過實(shí)驗(yàn)的方法測得水頭損失。本文通過數(shù)值模擬得到流速場、壓力場，根據(jù)任意兩個(gè)截面的流速、壓力的平均值，通過伯努利方程便可以求出兩個(gè)截面間的水頭損失大小。

根據(jù)圖5給出的截面位置，為了更清晰的研究出水流道水頭損失，將出水流道水頭損失的計(jì)算分為兩段，即彎管段（11截面至33截面）和出水段（33截面至77截面），出水段包括上升段、駝峰段和下降段。圖7為不同工況下計(jì)算出的出水流道水頭損失隨流量的變化曲線，出水流道總水頭損失曲線（11截面至77截面）隨著流量的增加，水頭損失呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，通過對比圖9給出的性能曲線，計(jì)算出的水頭損失在流量360 L/s時(shí)最小，與最高效率時(shí)的設(shè)計(jì)工況340 L/s基本吻合。[JP+2]在偏離設(shè)計(jì)工況的小流量水頭損失非常高，這將嚴(yán)重影響到此時(shí)泵站運(yùn)行的效率。彎管段水頭損失隨流量的變化趨勢與出水流道總水頭損失隨流量的變化趨勢基本一致，而上升段、駝峰段、下降段的水頭損失隨流量增加在流量為300 L/s的工況下有所降低外，整體呈現(xiàn)上升趨勢且變化程度不大。通過對比發(fā)現(xiàn)，總水頭損失主要是來自于彎管段的水頭損失。隨著流量的增加，總水頭損失中彎管段產(chǎn)生的水頭損失占出水流道總水頭損失的比例逐漸減?。盒×髁抗r下所占比例為7889%、設(shè)計(jì)工況下所占比例為6497%、大流量工況下所占比例為5459%。要提高泵站的運(yùn)行效率應(yīng)盡量降低流道的水頭損失，尤其是彎管段所產(chǎn)生的水頭損失。一味地增大出口截面的面積不一定會(huì)得到很好的效果，相反過大的出口截面不但會(huì)導(dǎo)致工程量的增加而且可能導(dǎo)致流速分布不均、產(chǎn)生脫流等不良后果。

4.5渦量計(jì)算及分析

渦量是描寫旋渦運(yùn)動(dòng)重要的物理量之一，[JP+1]定義為流體速度矢量的旋度，漩渦通常用渦量來量度其強(qiáng)度和方向，渦量對水頭損失影響較大。通過計(jì)算圖5所示的七個(gè)截面在小流量Q=240 L/s、設(shè)計(jì)工況下的流量Q=340 L/s以及大流量Q=400 L/s三種工況下的平均渦量見圖8。對比三種工況，渦量在各個(gè)工況的整體趨勢相同。在截面1的位置各工況下的渦量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各截面，在小流量工況

下該截面的渦量最大，大流量工況下該截面的渦量最?。凰鹘?jīng)過11截面至44截面渦量下降最為顯著；在55截面、66截面、77截面位置處渦量較小。渦量呈下降趨勢：其主要原因是水流經(jīng)過出水流道渦動(dòng)能回收所致，但在出口截面77位置，渦量小幅增加。在當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)過程中，通過增大出口截面面積以達(dá)到更高的效率以及更好的出水流態(tài)，但是單純的增大出口截面的面積不一定能起到良好的效果，渦量呈現(xiàn)的上升趨勢也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

5泵裝置外特性預(yù)測

在對泵裝置全模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，對泵裝置的揚(yáng)程、效率隨流量的變化關(guān)系進(jìn)行了預(yù)測，為了驗(yàn)證性能預(yù)測的結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)[20]進(jìn)行對比：圖9為該泵裝置在n=1 400 r/min時(shí)的預(yù)測結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。通過對比發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體趨勢基本一致，在小流量工況下預(yù)測結(jié)果比模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)揚(yáng)程偏小、效率偏高；在設(shè)計(jì)工況及大流量工況附近預(yù)測結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，總體而言選用的計(jì)算模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測該泵裝置外特性，表明該泵裝置模型全模擬方法可信，預(yù)測結(jié)果可以較好的反應(yīng)實(shí)際情況。

6結(jié)論

通過對南水北調(diào)東線水源工程江都一站泵裝置模型進(jìn)行全模擬，分析了虹吸出水流道內(nèi)部水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，預(yù)測了虹吸出水流道水力特性，得到了如下結(jié)論。

（1）通過計(jì)算該泵裝置虹吸出水流道的水頭損失，得到了隨著流量的增加水頭損失呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。該泵裝置虹吸出水流道水頭損失主要來自于彎管段產(chǎn)生的水頭損失，彎管段產(chǎn)生的水頭損失占出水流道總水頭損失的比例隨著流量的增加而減小：小流量工況下所占比例為7889%、設(shè)計(jì)工況下所占比例為6497%、大流量工況下所占比例為5459%。

（2）針對該泵裝置虹吸出水流道渦量的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，渦量從出水流道進(jìn)口至出水流道出口呈現(xiàn)下降趨勢，在彎管段下降最為明顯，經(jīng)過駝峰段之后渦量較小，這主要得益于該泵裝置虹吸出水流道渦動(dòng)能的回收作用。水流經(jīng)過出口斷面渦量有小幅增加，主要原因可能為出口斷面面積過大所致。

（3）對該泵裝置進(jìn)行外特性預(yù)測結(jié)果表明：預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體趨勢基本一致且在設(shè)計(jì)工況及大流量工況附近基本吻合，表明該泵裝置模型全模擬的結(jié)果真實(shí)可信。

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