某泵站全流道CFD仿真及流道改造研究

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(1. 武漢大學 a. 動力與機械學院； b. 水力機械過渡過程教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430072；2. 湖北省水利水電科學研究院， 湖北 武漢 430070)

某泵站全流道CFD仿真及流道改造研究

張帥帥1a，蔣勁1a,1b，應銳1a，孫強強1b，王玉成1b，陳奇2

(1.武漢大學a.動力與機械學院； b.水力機械過渡過程教育部重點實驗室，湖北武漢430072；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北武漢430070)

為了使進出水流態(tài)穩(wěn)定，減少出水流道水力損失，使用三維模擬軟件Fluent，采用RNGk-ε模型對某城市排澇泵站全流道進行數(shù)值模擬仿真；針對泵站前池水流流態(tài)不穩(wěn)，影響進水流道水流狀態(tài)，出水流道流態(tài)不穩(wěn)且水力損失較大等問題，對前池尺寸以及出水流道形式進行優(yōu)化，并對優(yōu)化方案進行仿真。優(yōu)化前、后方案的仿真結果表明，前池的水流流態(tài)得到改善，出水流道水流流態(tài)得到改善，水力損失減小。

泵站；全流道；數(shù)值模擬；出水流道

泵站是水利工程最重要的組成部分之一[1]。 我國現(xiàn)有多處大型排灌泵站， 中小型排灌泵站更是得到廣泛建設[2]。 排澇泵站的主要作用是在雨季時將城市積水排出去，防止城市內澇影響人們生活。 進、 出水流道是泵站的重要組成部分， 由于前池流態(tài)的穩(wěn)定性會影響進水流道水流狀態(tài)， 因此優(yōu)化前池和出水流道水力設計具有重要意義。 近年來， 國內外眾多學者對泵站流道的數(shù)值模擬進行了大量研究[3-8]， 取得了一批有價值的科研成果。 本文中根據(jù)某城市排澇泵站參數(shù)要求， 基于計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)中Fluent軟件對其進行全流道數(shù)值模擬， 分析流動特性和水力特性，在此基礎上優(yōu)化其前池和出水流道設計，以達到優(yōu)化其流動特性和水力特性的目的。

1 研究對象和模型

1.1 研究對象

某城市排澇泵站屬于堤后式泵站，選用5臺立式潛水泵，泵站總裝機為5×630 kW。泵站5臺泵全部運行，額定轉速為295 r/min，泵站設計流量為50 m3/s。泵站主要功能是排澇，要求單向排水。

水流經引水渠進入前池和進水池，前池長度為20 m，底坡為1∶8.734，前池前端高程為38 m，寬度為16 m，后端高程為35.71 m，寬度為24.5 m，前池擴散角為12°。前池后接進水池，進水池底部高程為35.71 m， 長度為13 m，寬度為24.5 m。進水池處安裝有攔污柵，單個柵道寬度為4.1 m，柵條縱向布置， 通流橫截面積按85%計算。 進水流道為鐘型， 流道長度為6.5 m， 進口寬度為4.1 m； 出水流道高度為1.8 m， 寬度為3.6 m。

1.2 幾何模型

泵站全流道流場數(shù)值仿真的流體域幾何建模按水流方向分為引水渠段、前池、進水池、攔污柵段、泵進水流道、潛水泵和泵出水流道。使用Pro/E軟件建立全流道幾何模型，如圖1所示。

圖1 某排澇泵站全流道幾何模型

1.3 模型前處理

高質量的計算網格是計算的前提條件，同時也是影響數(shù)值計算結果的關鍵因素之一。利用CFD前處理軟件對泵站全流場的計算區(qū)域進行網格劃分，為適應泵站全流道復雜的幾何模型，采用對復雜邊界適應性較強的非結構全四面體網格[9-10]，網格扭曲率小于0.8，網格質量符合工程仿真要求。為提高計算精度與減少工作量，采用的網格總數(shù)為1 040萬，其中引水渠、前池及進水池段230萬，攔污柵段120萬，進水流道240萬，泵流道300萬，出水流道150萬。全流道網格模型如圖2所示。

圖2 某排澇泵站全流道網格模型

2 數(shù)學模型及邊界條件

2.1 湍流模型

該泵站全流道流場數(shù)值仿真采用RNGk-ε模型[9]。RNGk-ε模型來源于嚴格的統(tǒng)計技術，通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，使這些小尺度運動系統(tǒng)地從控制方程中去除，其方程表達為

(1)

(2)

式中：μeff為有效湍流黏度， 是μ與μt之和；k為湍動能；ε為耗散率；ui為i方向的速度；αk和αε分別為湍動能和耗散率的有效普朗特數(shù)的倒數(shù)；C2ε為常數(shù)；Gk是由平均速度梯度引起的湍動能；t為時間；x為坐標系中的橫坐標。

RNGk-ε模型的主要特點如下：

1)通過修正湍動黏度，考慮了平均流動中的旋轉及旋流流動情況；

2)在ε方程中增加了一項，從而反映主流的時均應變率，有效改善了精度；

3)RNG理論為湍流Pr數(shù)提供了一個解析公式，而標準k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)；

4)標準k-ε模型是高雷諾數(shù)模型，RNG理論則提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動黏性的解析公式，該公式的作用取決于正確地對待近壁區(qū)域(采用壁面函數(shù)法或低雷諾數(shù)的k-ε模型來模擬)。

綜上可知，RNGk-ε模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動，包括快速應變、中等渦、局部轉捩的復雜剪切流動情況(如邊界層分離、塊狀分離、渦的后臺階分離等)。這些特點使得RNGk-ε模型在該泵站全流道流場模擬中有更高的可信度和精度[11-13]。

2.2 邊界條件

對泵站全流道流場計算而言，設置正確的邊界條件是計算準確的重要保障。

1)進口邊界條件。在引水渠進口設置速度進口邊界條件，根據(jù)設計流量為50 m3/s及引水渠截面積，進口流速為0.537 m/s(考慮液體不可壓縮性)。

2)出口邊界條件。包含泵的流場計算，設定出口邊界條件為壓力出口，同時設定出口與大氣直接連通。

3)自由水面。泵站的上表面作為自由水面，忽略水面上由風引起的切應力及與大氣層的相應熱交換，對自由水面處水的流動規(guī)律采用剛蓋假定[14]。

3 設計方案

泵站前池是關系到整個泵站能否安全運行的關鍵部分之一，其主要作用是保證水泵進水流道流態(tài)平穩(wěn)。在實際泵站運行中，前池中常存在回流、旋渦等不良流態(tài)，使得進水池中水流紊亂，進水條件惡劣，甚至會引起水泵汽蝕、振動和噪聲等，為了減少回流、旋渦等不良流態(tài)，經過再一次仿真后，將前池結構尺寸進行更改。圖3為泵站前池變化對比圖。

(a)變化前

(b)變化后圖3 前池變化對比圖

泵站出水流道也是關系到整個泵站能否安全運行的關鍵部分之一，其主要作用是保證水泵出口水流流態(tài)平穩(wěn)。通過改變出水流道形狀[15]，使設計的出水流道結構合理，水力損失小，流動穩(wěn)定均勻。泵站出水流道基本結構如圖4所示。

圖4 出水流道基本結構

4 數(shù)值模擬結果分析

4.1 引水渠、前池及進水池

4.1.1 流場速度分布

對泵站引水渠、前池及進水池流道液面下等高位置不同橫截面的速度分布進行對比分析，其優(yōu)化前后的流速分布如圖5所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后不同等高面上速度分布更好， 在擴散段低速區(qū)

速度明顯減小，并在主流方向有較好的速度梯度分布，尤其在主流偏向中間流動特征，可以看出在主流的中間流動特征分布較為均勻，證明該改進方案較好地改善了泵站前池及進水池的流態(tài)。

4.1.2 流場湍動能分布

對泵站引水渠、前池及進水池流道液面下等高位置的湍動能(能量耗散)分布進行分析比對，圖6為優(yōu)化前后不同橫截面的湍動能分布圖。從圖中可以看出，優(yōu)化后不同等高面上能量耗散優(yōu)化明顯減小，證明在該流場下的二次流動及漩渦強度明顯減小，同時在擴散段能量耗散區(qū)同樣明顯減小，并在中間主流方向有較好的速度梯度分布，同樣可以證明該改進方案較好地改善了泵站前池及進水池的流態(tài)。

4.2 攔污柵和進水流道

圖7為攔污柵段的能量損失統(tǒng)計圖，其中深色表示攔污柵進口處的總能量頭，淺色區(qū)域為攔污柵出口處的總能量頭。攔污柵處湍動能局部增大，水頭損失小于0.01 m。

圖8為進水流道能量頭損失統(tǒng)計圖。由圖中可以看出，進水流道能量損失較小，進水流道平均水頭損失約為0.15 m，證明該進水流道設計較為合理，能量損失較小。

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖5 優(yōu)化前后不同橫截面的流速分布

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖6 優(yōu)化前后不同橫截面的湍動能分布

圖7 攔污柵段的總壓損失圖

圖8 進水流道總壓損失

4.3 出水流道

原出水流道為方形出水流道，水流從泵出口出來后，直接射向方形出水流道后壁面上，水力損失較大且流態(tài)不穩(wěn)定；改為彎頭形出水流道后，水流流向逐漸改變，使水力損失較小且流態(tài)較穩(wěn)定。下面對2個方案計算結果進行對比分析。

4.3.1 流場速度分布

圖9為2種不同形狀出水流道內部速度分布圖。從出水流道速度分布對比可以看出，水流從泵出口進入出水流道時，2個方案流速分布相似，原方案經過出水流道后流速明顯小于優(yōu)化后的方案，且優(yōu)化后的出水流道流態(tài)較原方案穩(wěn)定。

4.3.2 流場湍動能分布

圖10為2種不同形狀出水流道內部能量損失對比。由圖中可以看出，優(yōu)化方案相對于原方案而言，能量損失區(qū)域減小，雖然在轉彎后區(qū)域形成一個明顯的能量高耗散區(qū)，但從流動特征來看，該種改進方案具有一定的合理性。

4.3.3 流場能量損失分布

圖11為2種形狀出水流道內部能量頭損失分布圖， 其中深色為出水流道進口處能量頭， 淺色為出水流道出口處能量頭。 由圖中可以看出， 原方案出水流道的水頭損失約為0.5～0.6 m， 彎頭形出水流道的水頭損失接近0.4 m， 為方形出水流道的80%左右。

(a)優(yōu)化前

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖10 出水流道湍動能分布對比

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后圖11 出水流道總壓頭損失對比

5 結論

本文中基于RNGk-ε模型對某城市排澇泵站全流道流場進行數(shù)值模擬并優(yōu)化出水流道，通過對計算結果進行分析，得到以下結論：

1)前池優(yōu)化后，能量耗散明顯減小，二次流動及漩渦強度明顯減??；

2)方形出水流道流線紊亂，水流沖擊出水流道頂后反彈，形成強烈的循環(huán)渦流；優(yōu)化后的彎頭型出水流道流線較為均勻，水流實現(xiàn)平穩(wěn)轉向。方形出水流道的水頭損失為0.5～0.6 m；優(yōu)化后的彎頭形出水流道水頭損失接近0.4 m，約為方形出水流道的80%。由此可以得出結論，彎頭形出水流道能夠有效改善水流流態(tài)，減少水力損失。

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CFDSimulationandPassageReformofWholeFlowPassageinaPumpingStation

ZHANGShuaishuai1a,JIANGJin1a,1b,YINGRui1a,SUNQiangqiang1b,WANGYucheng1b,CHENQi2

(1.a. School of Power and Mechanical Engineering; b. Key Laboratory of Transients in Hydraulic Machinery of Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. Hubei Water Resources Research Institute, Wuhan 430070, China)

In order to stabilize the flow of forebay and outflow water and reduce the hydraulic loss of the runner, a RNGk-εmodel was used to simulate the whole flow passage of the pumping station by the three-dimensional simulation software Flent. Because the unstable flow pattern of the forebay basin affected the flow state of the inlet passage, the flow passage is unstable and the hydraulic loss is large, the scheme of the former pool size and the passage flow modification were put forward and simulated. The simulation results show that the flow regime of the front tank is improved after adjust-ing the size, and the flow regime of the outlet flow passage is improved and the hydraulic loss is reduced.

pumping station; whole flow passage; numerical simulation; outlet passage

2017-03-07 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-12-13 16:48

國家自然科學基金項目(51279145)

張帥帥(1990—)， 男， 山東菏澤人。 碩士研究生， 研究方向為流體機械及工程研究。 電話： 17662507530， E-mail：

tianliang1870080@163.com。

蔣勁(1963—)，男，湖北武漢人。教授，博士，博士生導師，研究方向為水力機械裝置過渡過程試驗及數(shù)值模擬研究。

電話：13907169465，E-mail：jinjiang@whu.edu.cn。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20171212.1637.008.html

1671-3559(2018)01-0020-07

10.13349/j.cnki.jdxbn.2018.01.004

TV675

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(責任編輯:劉建亭)