某泵站不同葉輪直徑進水流道方案的數值計算

黃金軍 陳阿萍 劉榮華 黃燕華 李江

（1.常州市水利規(guī)劃設計院常州2130002.常州市城市防洪工程管理處常州213000 3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司淮安223005）

某泵站不同葉輪直徑進水流道方案的數值計算

黃金軍1陳阿萍2劉榮華3黃燕華1李江1

（1.常州市水利規(guī)劃設計院常州2130002.常州市城市防洪工程管理處常州213000 3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司淮安223005）

采用數值計算的方法，利用Fluent流體力學分析軟件研究了某大型低揚程立式泵站不同葉輪直徑進水流道的基本流態(tài)，并將流道的水力損失進行了比較。結果表明：適當增加葉輪直徑，可以明顯減少進水流道損失，從而提升泵站的裝置效率。

進水流道基本流態(tài)水力損失比較

1 引言

進水流道是泵裝置的一個重要組成部分，進水流道的水力性能對泵站的裝置效率有著重要的影響，對于低揚程泵站尤為重要，本文借用某大型低揚程立式泵站H站的有關參數，采用數值模擬方法，利用Fluent流體力學分析軟件對不同葉輪直徑進水流道的水力性能進行研究，對泵站水泵選型提供重要的參考依據。

2 關于進水流道

與低揚程立式泵配套使用的進水流道一般有肘形、鐘形和簸箕形等形式。肘形進水流道在國內應用最為廣泛，在前蘇聯、日本等國也有較多的應用；鐘形進水流道在國內有一些應用，在日本的應用較多；簸箕形進水流道在國內應用較少，在荷蘭等歐洲國家應用較多。

國家標準《泵站設計規(guī)范》（GB/T 50265-97）推薦大型泵站立式泵機組采用肘形進水流道，如當受地基條件限制不宜深挖方時，可采用鐘形進水流道。

本文研究選擇水力性能最好、應用最為廣泛的肘形進水流道為對象，研究葉輪直徑對進水流道水力損失的影響。

3 肘形進水流道計算方案

本文借用H泵站的有關參數，確定了水泵葉輪直徑為D=3.0m、D=3.4m和D=3.6m3個研究方案，分別對與這3個葉輪直徑的水泵相配套的肘形進水流道方案進行了優(yōu)化水力計算。這3個肘形進水流道方案的控制尺寸相同，但流道出口段的幾何形狀根據水泵葉輪室進口的幾何尺寸做了相應調整。經過優(yōu)化的3個方案肘形進水流道單線圖見圖1。

圖1 3個方案肘形進水流道單線圖

4 進水流道計算區(qū)域及邊界條件

為方便設置進、出口邊界條件，沿進水流道的進、出口分別向外拉伸一定長度，這里可認為是湍流的充分發(fā)展區(qū)域，因此進水流道的數值計算區(qū)域包括進水池、進水流道和出口直管。進水流道的取壓斷面分別設在距進水流道有一定距離的進水池內和進水流道的出口。進水流道計算區(qū)域如圖2所示。

進水流道計算流場的進口邊界設置在進水池進口處，進口斷面為一垂直于水流方向的斷面。在這里，可認為來流速度在整個斷面上均勻分布。計算流量可作為已知條件，故而進口邊界采用速度進口邊界條件。

為了準確地應用出口邊界條件，將計算流場從進水流道出口沿水流方向等直徑延長，使計算流場的出口邊界設置在距進水流道出口2倍圓管直徑處。這里的流動是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。

進水池的表面是自由水面，若忽略水面風引起的切應力與大氣層的熱交換，則自由面對速度和湍動能均可視為對稱面處理。

進水流道邊壁、前池底部及導流帽等處均為固壁，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理中對所有固壁處的節(jié)點應用了無滑移條件，而對緊靠固壁處節(jié)點的湍流特性，則應用了所謂對數式固壁函數處理之，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點數。

5 進水流道計算區(qū)域網格剖分

生成網格是對流動問題進行數值計算的重要一步，即要對空間上連續(xù)的計算區(qū)域進行剖分，把它劃分成許多個子區(qū)域，并確定每個子區(qū)域的節(jié)點。由于工程上所遇到的流動問題大多發(fā)生在復雜區(qū)域內，因而不規(guī)則區(qū)域內網格的生成是計算流體力學中一個十分重要的研究領域。實際上，流動問題數值計算結果的最終的精度及計算過程的效率，主要取決于所生成的網格與所采用的算法。一個成功而高效的數值計算，只有在網格的生成及求解流場的算法這兩者之間有良好的匹配時才能實現。

從總體上來說，計算流體力學所采用的網格大致分為結構化網格和非結構化網格兩大類。

在結構化網格中，每一節(jié)點與其鄰點之間的聯結關系固定不變且隱含在所生成的網格中，每一個節(jié)點及控制容積的幾何信息必須加以存儲，但該節(jié)點的鄰點關系可以根據網格編號的規(guī)律自動得出而不必專門存儲這類信息。一般數值計算中正交與非正交曲線坐標系中生成的網格都是結構化網格。適體坐標法是常用的生成結構化網格的方法，它主要有保角變換法、代數法、微分方程法。當計算區(qū)域比較復雜，即使應用網格生成技術也難以妥善地處理所求解的不規(guī)則區(qū)域時，可以采用塊結構化網格。在這種方法中，把整個求解區(qū)域分為若干個小塊，每一塊中均采用結構化網格，塊與塊之間可以是并接的，也可以是部分重疊的。這種網格生成方法既有結構化網格的優(yōu)點，同時又不要求一條網格線貫穿在整個計算區(qū)域中，給處理不規(guī)則區(qū)域帶來了方便，目前應用很廣。

在非結構化網格中，單元與節(jié)點的編號無固定規(guī)則遵循，除了每一單元及其節(jié)點的幾何信息必須存儲外，與該單元相鄰的那些單元的編號等也必須作為聯接關系的信息存儲起來，因此非結構化網格的存儲信息量比較大。生成非結構化網格的方法主要歸結為Delaunay三角形化方法和推進陣面法兩大類。非結構化網格幾何靈活性優(yōu)越，對復雜外形具有良好的普遍適應性，而且其隨機的數據存儲結構使得網格的自適應加密變得非常簡單。因此非結構比網格自20世紀80年代以來在CFD中得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。

對進水流道采用非結構化網格，進水池和出口直管采用混合網格cooper網格進行延拓，具體網格剖分情況如圖2所示。

圖2 進水流道計算區(qū)域網格剖分圖

表1 3個方案進水流道數值計算結果表

6 進水流道的數值計算結果

3個方案的進水流道表面流場圖和分層流場圖分別見圖3、圖4。

圖3 各方案進水流道表面流場圖

圖4 各方案進水流道分層流場圖

從進水流道流場圖可以看到：在流道的直線段內，流態(tài)平順，流速逐漸增大；進入流道彎曲段后，水流迅速轉向和加速，使得流道內側流速明顯大于外側的流速；由于水流在作90°轉向的同時，伴隨著急劇的側向收縮，故此處并未產生脫流；在流道圓錐段內，由于慣性力的強烈作用，較大的水流速度開始出現在流道外側壁附近，經過圓錐段的短距離調整，在接近流道出口處，水流趨向于均勻分布和垂直于出口斷面。

從流場圖可以看出：隨著葉輪直徑的增大，進水流道出口附近的流速明顯減小，這也是流道水力損失隨葉輪直徑的增加而減少的主要原因。

3個方案進水流道的數值計算結果見表1，由計算結果可以看出：3個方案進水流道出口斷面的均勻度和速度加權平均角度基本不變；進水流道的水力損失接近于與葉輪直徑的4次方成反比。

7 結論

本文采用流道單獨研究的方法，對不同葉輪直徑的3個肘形進水流道進行了三維湍流流動數值模擬，并對計算結果進行了比較分析，得到如下結論：

（1）在設計流量一定的條件下，選取較大的水泵葉輪直徑有利于減少進水流道水力損失，進而提高泵站裝置效率，泵裝置揚程愈低，葉輪直徑的影響愈顯著；

（2）適當加大水泵葉輪直徑，只需對進水流道出口和出水流道進口的形線作相應調整，無需增加流道的控制尺寸，因此土建投資增加較少■