七浦塘江邊樞紐軸流泵裝置數(shù)值模擬計(jì)算研究

(蘇州市水利水務(wù)信息調(diào)度指揮中心，江蘇 蘇州 215011)

1 概 述

七浦塘江邊樞紐工程是兼具排澇、引水兩大功能的雙向運(yùn)行泵站，設(shè)計(jì)總流量120m3/s，經(jīng)比較選用4臺(tái)立式軸流泵機(jī)組配開(kāi)敞式進(jìn)出水流道。該雙向運(yùn)行的泵站運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行工況的水力條件復(fù)雜，本文運(yùn)用CFD模擬計(jì)算手段，優(yōu)化水泵裝置性能，實(shí)現(xiàn)泵站安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2 泵站基本參數(shù)及運(yùn)行特點(diǎn)

2.1 泵站運(yùn)行凈揚(yáng)程

排澇工況：最高揚(yáng)程3.69m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.64m，最低揚(yáng)程0m；引水工況：最高揚(yáng)程3.88m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.40m，最低揚(yáng)程0m。

2.2 水泵特點(diǎn)

水泵單向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)進(jìn)出水流道的閘門切換，形成引水和排澇不同方向的裝置水流流動(dòng)。水泵葉輪直徑3.15m，轉(zhuǎn)速115.4r/min。

3 水泵裝置CFD優(yōu)化

驗(yàn)證初擬進(jìn)、出水流道型線合理性，并對(duì)流道型線、流道長(zhǎng)寬高尺寸、出水流道隔墩位置、水泵導(dǎo)水形狀高度、進(jìn)水喇叭管高度、出水?dāng)U散管及導(dǎo)水錐等進(jìn)行水力性能優(yōu)化。

選擇適合泵站特征參數(shù)合適的水力模型，并通過(guò)對(duì)不同葉片數(shù)葉輪、導(dǎo)葉及不同進(jìn)、出水結(jié)構(gòu)組合的全流道泵裝置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，優(yōu)化水泵進(jìn)出水結(jié)構(gòu)型式。

4 泵裝置的網(wǎng)格剖分及計(jì)算精度

泵裝置的網(wǎng)格剖分及計(jì)算精度是CFD模擬計(jì)算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[1](泵裝置三維模型見(jiàn)圖1)。泵裝置計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格單元數(shù)共計(jì)3046835個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)1279676個(gè)，其中四面體網(wǎng)格單元數(shù)2278663個(gè)、六面體網(wǎng)格單元數(shù)768172個(gè)(葉輪與導(dǎo)葉體的網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖2)。各物理量的殘差收斂精度均設(shè)置為1.0×10-5，且揚(yáng)程的變化趨于穩(wěn)定，即該工況下數(shù)值模擬結(jié)果滿足收斂要求。

圖1 優(yōu)化組合的泵裝置三維模型

圖2 葉輪與導(dǎo)葉體網(wǎng)格

5 水泵裝置優(yōu)化模擬計(jì)算

5.1 控制方程和紊流模型

此次計(jì)算采用“凍結(jié)轉(zhuǎn)子法”(frozen rotor)處理葉輪與進(jìn)水流道、導(dǎo)葉之間動(dòng)靜耦合流動(dòng)的參數(shù)傳遞?？刂品匠痰碾x散采用基于有限元的有限體積方法。擴(kuò)散項(xiàng)和壓力梯度用有限元函數(shù)表示，對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格式(high resolution scheme)。流場(chǎng)的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法，將動(dòng)量方程和連續(xù)性方程耦合求解?？刂品匠滩捎美字Z平均N-S方程，紊流模型采用修正湍流黏度的RNGk-ε模型。

5.2 流道優(yōu)化計(jì)算要求

進(jìn)水流道的出口斷面軸向速度分布均勻，保證葉輪進(jìn)水的水流流態(tài)。要求進(jìn)口軸向速度分布均勻度Vzu接近100%。

出水流道應(yīng)很好地回收動(dòng)能。

5.3 初擬進(jìn)出水流道的主要控制尺寸

雙向進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的尺寸為8.60m(寬)×5.20m(高)，進(jìn)水流道總長(zhǎng)度為35m，流道內(nèi)部?jī)舾邽?.40m，流道出口斷面直徑為3.00m。

出水流道的出口斷面尺寸為8.60m(寬)×4.20m(高)，出水流道總長(zhǎng)為19.70m(從出水流道胸墻前緣算起)，流道內(nèi)部?jī)魧挒?.60m，出水流道為開(kāi)敞式出水池。

5.4 泵站進(jìn)水流道的數(shù)值計(jì)算及優(yōu)化

5.4.1 優(yōu)化方案

雙向進(jìn)水流道優(yōu)化重點(diǎn)是喇叭管的幾何尺寸及導(dǎo)水錐形狀。對(duì)喇叭管底部與進(jìn)水流道底板頂高程的距離設(shè)置2種不同的方案：方案1是176cm，方案2是219cm(各方案進(jìn)水流道單線圖見(jiàn)圖3)。

圖3 進(jìn)水流道喇叭管及導(dǎo)水錐優(yōu)化單線

5.4.2 泵站進(jìn)水流道的各方案水力性能比選

在設(shè)計(jì)流量Q=30m3/s時(shí)，方案2進(jìn)水流道的水力損失比初設(shè)方案減小了9.35%，達(dá)到了進(jìn)水流道優(yōu)化的目的，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出方案2進(jìn)水流道水力損失與流量的關(guān)系為Δh=0.0002Q2(進(jìn)水流道3個(gè)方案的三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，各方案進(jìn)水流道出口斷面的水力性能分析結(jié)果見(jiàn)圖5)。

圖4 不同方案進(jìn)水流道水力損失

圖5不同方案進(jìn)水流道出口斷面水力性能

從圖5可見(jiàn)方案2的進(jìn)水流道軸向速度分布均勻度相比初設(shè)方案提高了2.8%，速度加權(quán)平均角提高了0.45°，表明了方案2達(dá)到了進(jìn)水流道優(yōu)化的目的。

5.4.3 優(yōu)化后進(jìn)水流道的內(nèi)流場(chǎng)分析

為進(jìn)一步分析優(yōu)化后進(jìn)水流道的內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)，選取3個(gè)特征工況(流量Q=18m3/s、30m3/s、39m3/s)(見(jiàn)圖6)。各工況時(shí)雙向進(jìn)水流道內(nèi)流場(chǎng)的前部流線平順，在雙向進(jìn)水流道的盲端處，流速很小，表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)緩慢的回流區(qū)。盲端側(cè)流態(tài)較差，有漩渦出現(xiàn)，但漩渦初生環(huán)量較小，能量積聚未達(dá)到形成渦帶的初生條件，因此該漩渦并不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。雙向進(jìn)水流道可看作是后壁距很大的單向流道，因后壁距較大，故易形成死水區(qū)[2]。CFD計(jì)算還可以得到泵裝置內(nèi)流場(chǎng)的速度、靜壓分布信息，受篇幅限制，僅用流線圖來(lái)顯示[1]。

圖6 不同工況時(shí)雙向進(jìn)水流道方案2的三維流線

5.5 泵站出水流道的數(shù)值計(jì)算及優(yōu)化

5.5.1 優(yōu)化方案

出水流道頂至喇叭管頂部高度是影響水流流態(tài)的關(guān)鍵部位。根據(jù)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究成果[3]，優(yōu)化后的喇叭管頂部至流道頂部高度宜為0.48D，喇叭管出口直徑宜為1.66D，喇叭管出口半徑與后導(dǎo)水錐等高處半徑差宜為0.43D，后導(dǎo)水錐頂部直徑宜為1.49D。

圖7 優(yōu)化前后的出水流道喇叭管及后導(dǎo)水錐單線(虛線為優(yōu)化前，實(shí)線為優(yōu)化后)

5.5.2 泵站出水流道的各方案水力性能比選

出水流道的水力性能受導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量的影響，為此對(duì)出水流道進(jìn)水段與擴(kuò)散導(dǎo)葉體的輪轂采用光滑過(guò)渡，對(duì)導(dǎo)水錐也進(jìn)行相應(yīng)修改，優(yōu)化考慮了出口剩余環(huán)量的大小，并將環(huán)量作為進(jìn)口條件之一[4]。優(yōu)化前后的出水流道水力損失見(jiàn)圖8。

圖8 不同方案雙向出水流道水力損失

5.5.3 優(yōu)化后出水流道的內(nèi)流場(chǎng)分析

為分析優(yōu)化后雙向出水流道內(nèi)部流態(tài)，選取3個(gè)特征工況(流量Q=18m3/s、30m3/s、39m3/s)對(duì)雙向出水流道內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖9)。各工況時(shí)，水流從出水喇叭管出來(lái)后從四周匯入雙向出水流道內(nèi)部，部分水流進(jìn)入出水流道的盲端形成回流區(qū)，并繞過(guò)出水喇叭管進(jìn)入出水側(cè)，部分水流直接進(jìn)入出水側(cè)，水流呈螺旋狀。出水流道出口斷面面積為36.12m2，在計(jì)算工況范圍(18m3/s

圖9 不同工況時(shí)雙向出水流道內(nèi)部三維流線

6 不同導(dǎo)葉體對(duì)泵裝置水力性能的影響

為進(jìn)一步提高泵裝置的水力性能，對(duì)采用直導(dǎo)葉體和擴(kuò)散導(dǎo)葉體的泵裝置，分別在葉片安放角0°時(shí)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，并分析了其對(duì)泵裝置整體水力性能的影響(2種導(dǎo)葉體的三維模型見(jiàn)圖10)。

圖10 不同導(dǎo)葉體的三維模型

在計(jì)算的5個(gè)特征工況中，配擴(kuò)散導(dǎo)葉體的泵裝置效率高于配直導(dǎo)葉體的泵裝置效率。采用擴(kuò)散導(dǎo)葉既能較好地回收葉輪出口水流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，也可回收水流的軸向水流動(dòng)能，將水流速度的動(dòng)能更大化地轉(zhuǎn)化為壓能，可提高泵裝置的水力性能[6](2套泵裝置的流量-效率對(duì)比見(jiàn)圖11)

圖11 不同導(dǎo)葉體的泵裝置流量-效率對(duì)比

在上述數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)3個(gè)葉片安放角的泵裝置能量性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)(預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖12、圖13)。采用TJ04-ZL-23號(hào)水力模型，在葉片安放角0°，引水設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)設(shè)計(jì)流量30m3/s，但在排水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)，流量未達(dá)到30m3/s；將葉片安放角定在+1.2°時(shí)，引水和排水工況在設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)流量均可滿足要求。

圖12 不同安放角時(shí)泵裝置流量-揚(yáng)程曲線

圖13 不同安放角時(shí)泵裝置流量-效率曲線

7 結(jié) 論

a. 在設(shè)計(jì)工況，優(yōu)化后的進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)方案，使進(jìn)水流道水力損失減少了9.35%，葉輪進(jìn)口軸向速度分布均勻度提高了2.8%，速度加權(quán)平均角提高了0.45°；出水流道水力損失減少了18.85%。

b. 采用三維數(shù)值計(jì)算，分析了2種不同導(dǎo)葉體及出水流道的組合對(duì)泵裝置水力性能的影響，結(jié)果表明：采用擴(kuò)散導(dǎo)葉體的泵裝置效率高于采用直導(dǎo)葉的。

c. 采用TJ04-ZL-23號(hào)水力模型，優(yōu)化后的原型泵裝置在排水設(shè)計(jì)工況(H=2.94m)，葉片安放角1.2°時(shí)泵站裝置效率為66.48%；在引水設(shè)計(jì)工況(H=2.71m)，葉片安放角1.2°時(shí)泵站裝置效率為67.02%。泵裝置效率均能滿足該站的要求。

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[2] 陳玉璞.流體動(dòng)力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社，1989.

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[4] 李忠,楊敏官,王春林.軸流泵葉輪出口流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(9):94-97.

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