泵站鐘形進水流道吸水室后壁形狀的研究

葉鵬　劉超　許健　查智力　黃佳衛(wèi)

摘要：基于三維不可壓縮流體的雷諾平均N-S方程和RNGk-ε紊流模型，對矩形、半圓形和“ω”吸水室后壁形狀的鐘形進水流道泵裝置進行了三維紊流數(shù)值模擬，并分析了鐘形進水流道后壁形狀對泵裝置水力特性的影響。相同流量下，“ω”形吸水室進水流道流線分布最規(guī)則，漩渦比其他形狀的進水流道小，“ω”形吸水室進水流道水力損失比矩形吸水室進水流道小1cm；出口斷面的流速均勻度達到93%，比矩形和半圓形吸水室進水流道高約2個百分點；出口斷面速度加權(quán)平均角度達到83.5°，比矩形吸水室進水流道高0.6°，比半圓形吸水室進水流道高0.2°；泵裝置運行高效區(qū)流量范圍比半圓形的拓寬了7.3%，比矩形的拓寬了30%。該研究對于完善泵站鐘型進水流道吸水室優(yōu)化設(shè)計具有一定意義。

關(guān)鍵詞：泵裝置；鐘形進水流道；后壁形狀；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TV131.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0195-07

進水流道是泵站前池和水泵的葉輪室之間的過渡段，是整個泵裝置的重要組成部分。進水流道的主要作用是使水流加速和更好地轉(zhuǎn)向，為葉輪室進口提供良好的水力條件。故其出口流態(tài)對水泵的能量性能、汽蝕性和安全性能有很大影響。

鐘形進水流道是一種比較好的進水流道形式。它的顯著特點是高度較小，流道寬度較大，可以減少泵站基礎(chǔ)的挖深，從而降低土建工程投資。這對于某些站址地質(zhì)較差的泵站，具有特別重要的意義。鐘形進水流道的幾何形狀比肘形進水流道更為復(fù)雜，因此設(shè)計難度更高，而且現(xiàn)在也沒有成熟的水力設(shè)計方法。鐘形進水流道的后壁形狀常見的有“ω”形，圓弧形，多邊形和矩形，一般多采用前兩者[5]。

近年來，我國在鐘形進水流道數(shù)值模擬與實驗方面的研究越來越廣泛。在優(yōu)化鐘形進水流道吸水室后壁形狀方面，國內(nèi)已有不少學(xué)者做了研究。劉超等在泵站節(jié)能技術(shù)改造中，將后壁形狀為“ω”形的鐘形進水流道用于圬工泵站，優(yōu)化了進水流態(tài)，現(xiàn)場測試結(jié)果表明提高了泵裝置運行效率。顏紅勤等對不同鐘形進水流道的優(yōu)化方案進行了實驗和數(shù)值模擬，認為“ω”形后壁吸水室鐘形進水流道的水力性能良好，水力損失小。陶海坤等模擬計算了兩種不同“ω”形后壁吸水室鐘形進水流道，認為采用公式V_u=const來設(shè)計“ω”形吸水室較好，并且還研究了吸水室的后壁距。

上述研究主要是只針對鐘形進水流道進行數(shù)值模擬分析，不包括水泵，因此不能反映進水流道對水泵性能的影響。本文結(jié)合其他相關(guān)研究，通過CFX對包括水泵在內(nèi)的三種方案的泵裝置進行全模擬，著重分析鐘形進水流道不同截面的流線和速度分布、內(nèi)部流態(tài)、水力損失以及其對泵裝置性能的影響，為泵裝置眭能優(yōu)化提供依據(jù)。

1計算模型和網(wǎng)格

1.1幾何建模

本次研究的進水流道后壁形狀有矩形（方案1），圓弧形（方案2），“ω”形（方案3），其中“ω”形的后壁形狀是平滑過渡的曲線形狀，由兩個大小圓弧組成，大圓弧的圓心與泵軸線重合，小圓弧圓心O₂在喇叭口圓周后側(cè)垂直于流向的切線上。鐘形進水流道各主要幾何參數(shù)見圖1。本文采用軸流泵型號為ZM6。

本文研究的泵裝置模型主要由鐘形進水流道、葉輪、導(dǎo)葉及虹吸式出水流道組成，其中葉輪、導(dǎo)葉模型在Turbogrid軟件中建立，進、出水流道在UG軟件中建立。泵裝置的三維模型見圖2。

1.2網(wǎng)格劃分

由于該泵裝置形式比較復(fù)雜且不規(guī)則區(qū)域較多，為了提高計算的精度，本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。進、出水流道采用ANSYS mesh軟件剖分，葉輪及導(dǎo)葉網(wǎng)格采用Tuobogrid軟件中H/J/L-Grid拓撲結(jié)構(gòu)剖分。本文不斷調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量并對不同網(wǎng)格數(shù)量的泵裝置效率進行計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格增加到一定數(shù)量時，計算結(jié)果不再隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而改變。在滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求時，取方案1泵裝置網(wǎng)格總數(shù)2 556 027（方案2為2 548 004，方案3為2 520 150），其中葉輪網(wǎng)格數(shù)456 192，導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)1012 662，進水流道網(wǎng)格數(shù)349 190（方案2為341 167，方案3為313 3 13），出水流道網(wǎng)格數(shù)為737 983。網(wǎng)格劃分見圖3。

1.3計算方法及邊界條件設(shè)置

計算采用雷諾時均N-S方程和RNGK-ε湍流模型，該模型已經(jīng)在前面很多研究中取得了較好的結(jié)果。

進水池的進口設(shè)置為整個計算域的進口，采用質(zhì)量流量進口條件；出水池的出口設(shè)置為整個計算域的出口，邊界條件按壓力條件給定：總壓為一個標準大氣壓。葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其他設(shè)置為靜止域，葉輪轉(zhuǎn)速為1450 r/min。固體邊壁表面包括：輪轂表面，葉片表面，葉輪外殼的內(nèi)表面等，壁面采用無滑移的壁面處理，進壁區(qū)域采用標準壁面邊界函數(shù)邊界條件。進水流道出口與葉輪進口、葉輪出口與導(dǎo)葉進口為動靜交界面，采用stage模型。

2計算結(jié)果及分析

通常認為評價進水流道的水力設(shè)計的標準包括以下三個方面的內(nèi)容：第一，進水流道的流態(tài)是否良好，有沒有產(chǎn)生有害漩渦（渦帶）；第二，流道出口斷面的速度分布是否均勻；第三，進水流道的水力損失的大小。下面將根據(jù)數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)分別從進水流道的流態(tài)，流道出口斷面速度分布，水力損失和泵裝置的性能等方面對三種方案進行對比分析。

2.1進水流道的流動基本特性

圖4為計算得到的流態(tài)圖（3D），由計算可知，鐘形進水流道的水流運動過程可以分為三個階段：水平收縮段，吸水室匯集段，喇叭管整流段。

水平收縮段：在直線段，水流從流道進口通過不斷收縮來調(diào)整流態(tài)，以便均勻的進入吸水室。水流受流道內(nèi)部邊界場的約束，流線都是平行于水平方向，但在水深方向出現(xiàn)不同程度的彎曲。

吸水室匯集段：水流分為三部分，一部分直接從喇叭管前部進入喇叭管，另外兩部分繞至喇叭管側(cè)面、后面進入喇叭管。吸水室段的流態(tài)非常復(fù)雜，若流態(tài)不好，容易出現(xiàn)范圍很大的漩渦。

喇叭管整流段：水流在喇叭管內(nèi)部急劇收縮，流速迅速增加但因為受到導(dǎo)流錐的影響水流流速分布得到較快調(diào)整。

為直觀的反映流場特性，截取斷面A（圖5）為特征面來分析。數(shù)值表明，不同流量工況下的流線分布大致相似，故只給出了設(shè)計工況下（Q=320L/s）三種方案進水流道斷面A（進水流道底部以上0.8 cm處水平剖面）的流線圖。

從圖6可以看出以下結(jié)果。

（1）當(dāng)流量Q=320 L/s時，三種方案的進水流道流線基本都是呈軸對稱分布。方案1的流道后壁邊角處流線非常紊亂且明顯存在2個大漩渦和2個小漩渦；方案2的流道后壁處流線較不均勻，且有2個漩渦但范圍相較于方案1明顯縮?。幌噍^于前兩者，方案3的流道流線分布更規(guī)則，速度場更好，在后壁處出現(xiàn)2個范圍很小的漩渦。

（2）半圓形吸水室相當(dāng)于在矩形吸水室設(shè)置了一個起導(dǎo)流作用的半圓形隔板，“ω”形吸水室相當(dāng)于在半圓形吸水室后壁頂端設(shè)置了一個起導(dǎo)流作用的隔舌。故“ω”形吸水室的流線最規(guī)則，半圓形吸水室次之，矩形吸水室最差。

2.2進水流道出口斷面流速分布

圖7為三種不同流量時，斷面B（進水流道出口斷面以下1.4 cm斷面，見圖5）的流速分布圖?？梢钥闯鲆韵乱?guī)律。

（1）在小流量至大流量各工況下進水流道出口斷面流速分布并不均勻，在左右兩側(cè)流態(tài)基本對稱，但是進水側(cè)的流速明顯大于后壁側(cè)，呈月牙形分布，并非四周均勻進水。分布特征與已有的實驗結(jié)果較為吻合，這表明采用的計算模型和方法是可靠的。

（2）小流量工況下，三種方案的后壁內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)一個類似矩形的低速區(qū)，方案1低速區(qū)的范圍較大，方案3低速區(qū)的范圍較小，方案2的介于兩者之間。大流量工況下，三種方案的后壁內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)兩個對稱的局部高速區(qū)。只有方案1的后壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)低速區(qū)，但是低速區(qū)的范圍與小流量工況相比小很多。

（3）同一工況下，三種方案的流場分布大致相似，形態(tài)穩(wěn)定。方案1的流速變化梯度明顯最大，方案2次之，方案3最小，這是流速均勻度差異的直觀反映。同一工況，方案3的流速均勻性最好，方案2次之，方案1的均勻性最差。

2.3進水流道出口斷面軸向流速分布均勻

度和速度加權(quán)平均角度

2.3.1進水流道出口斷面軸向流速分布均勻度

進水流道的出口就是葉輪室的進口，進水流道出口斷面流速場是否均勻或者比較均勻會影響水泵運行性能。我們可以通過分析進水流道出口斷面軸向流速分布均勻度來分析進水流道的設(shè)計質(zhì)量。V_zu越大，則表明進水流道出口斷面軸向流速分布越均勻，計算公式（1）如下：

圖8給出了不同工況下，三種方案進水流道的出口斷面軸向流速分布均勻度?？梢钥闯龊愣ㄞD(zhuǎn)速下進水流道出口斷面軸向流速分布均勻度隨著流量的增大而略有增加，但是增加值非常小。在設(shè)計工況（Q=320 L/s）下，軸向流速均勻度方案1為91.13%，方案2為91.37%，方案3為93.36%。比較數(shù)據(jù)可以看出，方案3的進水流道出口斷面流速場最均勻，方案2次之，方案1最差。

2.3.2進水流道出口斷面速度加權(quán)平均角度

進水流道出口水流的入流方向性會影響水泵的能量特性和汽蝕特性，我們可以通過分析進水流道出口斷面速度加權(quán)平均角度θ來衡量好壞。O越大進水流道出口水流的入流方向性越好。

圖9給出了不同工況下三種進水流道出口斷面速度加權(quán)平均角度，計算結(jié)果表明流量Q在260L/s到380 L/s時，方案3的速度加權(quán)平均角度最大，均處在83.3°以上，方案1的速度加權(quán)平均角度最小，比方案2低0.4°，比方案3低0.6°，這說明方案三的進水流道出口水流的入流方向性最好。進一步分析發(fā)現(xiàn)θ實際上隨著流量的增加而減小，但是幅度很小。

由此可知，對于鐘形進水流道來說，其出口斷面的流速均勻度和出口斷面速度加權(quán)平均角度本身與進水流道吸水室后壁采用的具體形狀有著非常密切的關(guān)系，而流量的大小對二者的影響較小。

2.4進水流道水力損失

軸流泵裝置的特點是揚程低，這就導(dǎo)致流道的水力損失占裝置揚程比值較大，對水泵裝置效率的影響明顯，所以裝置的水力損失直接影響到工程的實際經(jīng)濟效益。當(dāng)液體處于運動狀態(tài)時，由于液體的粘滯性，在流動過程中液體內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來阻礙液體間的相對運動，為克服這種阻力，流體中的一部分機械能會轉(zhuǎn)化為熱能，即產(chǎn)生水力損失。根據(jù)伯努利能量方程和RNG k-ε湍流模型計算得到的流速場和壓力場來計算進水流道的水力損失，計算公式（3）-（5）如下：

圖10表明進水流道的水力損失主要為吸水段水力損失，并且吸水段水力損失占總水力損失的百分比隨著流量的增加而增加，故吸水段的尺寸和形狀的合理設(shè)計對減少鐘形進水流道水力損失具有重要意義。

圖11表明流量Q在260 L/s到380 L/s時，進水流道水力損失隨流量的增大而增大。相同流量下，方案1的進水流道水力損失最大，方案2次之，方案3的進水流道水力損失最小。方案2和方案3相當(dāng)于在方案1的后避處添加了起導(dǎo)流作用的圓弧狀隔板，故方案1的水力損失比方案2，方案3大。方案3相當(dāng)于在方案2的中間加了導(dǎo)流作用的隔舌，隔舌可以截斷水流的旋轉(zhuǎn)，故方案3的水力損失比方案2小。各方案中，水力損失越小，斷面流速均勻度越高。這表明方案3的進水流態(tài)較好，吸水室后壁形狀設(shè)置合理。因此為了減少鐘形進水流道進水流道的水力損失，吸水室后壁形狀應(yīng)采用“ω”形。

2.5泵裝置效率與流量關(guān)系曲線

泵裝置效率與流量關(guān)系曲線見圖12，由圖12可以看出以下規(guī)律。

（1）相同流量下，方案3的泵裝置效率最高，最高效率達到了80.71%；方案2次之，最高效率為80.66%；方案1的泵裝置效率最低，最高效率為80.26%。

（2）三種方案的泵裝置Q-η曲線的變化趨勢都是從最高效率點向兩側(cè)下降。大流量工況下，方案1的效率僅為72.22%，遠遠低于方案2和方案3，小流量工況亦是如此。高效區(qū)內(nèi)，三種方案的效率較為接近。以方案3的最高效率點到75%為高效區(qū)。三種方案中，方案3的效率曲線變化最為平緩，高效區(qū)的流量范圍較寬（262～380 L/s）；方案1的效率曲線變化最為陡峭，高效區(qū)的流量范圍較窄（275～366 L/s）；方案2的效率曲線介于方案1和方案3之間，高效區(qū)流量范圍適中（267～377 L/s）。方案3的高效區(qū)流量范圍比方案2拓寬了7.3%，比方案1拓寬了30%。

3結(jié)論

（1）采用CFD數(shù)值模擬的方法，對包含了鐘形進水流道，葉輪，導(dǎo)葉和虹吸式出水流道的全流道進行了數(shù)值模擬，反映了最為接近實際的泵裝置流動情況。

（2）鐘形進水流道的水平收縮段水流流線較為規(guī)則，流速分布較為均勻，水流流態(tài)良好；吸水室段和喇叭管整流段的流線并不規(guī)則，出現(xiàn)了漩渦，且流速分布并不均勻，雖然在左右兩側(cè)流態(tài)基本對稱，但是進水側(cè)的流速明顯大于后壁側(cè)。

（3）根據(jù)CFD性能預(yù)測的結(jié)果，當(dāng)進水流道吸水室后壁形狀采用“ω”形時，水力損失較小，水流流態(tài)較好，泵裝置運行高效區(qū)流量范圍比半圓形的拓寬了7.3%，比矩形的拓寬了30%。而矩形后壁吸水室和半圓形后壁吸水室內(nèi)部的水流容易形成漩渦，增加進水流道水力損失，無法保證較好的進水條件，應(yīng)該盡量避免采用。