有壓進(jìn)水池消渦導(dǎo)水錐研究

蔣紅櫻，成 立，顏紅勤

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029；2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

泵站進(jìn)水池的作用是將泵站前池的水流引入水泵葉輪，確保水流在進(jìn)水池完成轉(zhuǎn)變，并且平順的進(jìn)入葉輪室。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中于對(duì)開(kāi)敞式進(jìn)水池的水動(dòng)力性能分析、水力效率數(shù)值優(yōu)化、模型試驗(yàn)方面的研究。成立等[1]利用數(shù)值模擬得到開(kāi)敞式進(jìn)水池幾何參數(shù)。錢義達(dá)等[2]進(jìn)行了開(kāi)敞式進(jìn)水流道的實(shí)驗(yàn)研究，并給出了相應(yīng)的幾何參數(shù)。王本成等[3]利用數(shù)值模擬結(jié)合水動(dòng)力性能研究了喇叭管懸空高的具體影響。陸林廣等[4]進(jìn)一步研究開(kāi)敞式進(jìn)水池并完成水力性能優(yōu)化。何婷婷等[5]對(duì)開(kāi)敞式進(jìn)水池后壁形狀進(jìn)行了研究。關(guān)于有壓進(jìn)水池的研究相對(duì)于箱涵式進(jìn)水流道以及開(kāi)敞式進(jìn)水池的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究要少很多[6,7]。陳松山[8]和周濟(jì)人等[9]進(jìn)行箱涵式進(jìn)水流道試驗(yàn)方面的研究，同時(shí)也增設(shè)相關(guān)整流措施。楊帆等[10]采用CFX軟件對(duì)雙向立式軸流泵裝置水力性能進(jìn)行分析。本文結(jié)合某泵站工程，研究了不同導(dǎo)水錐的形式和尺寸對(duì)有壓進(jìn)水池水力性能影響。

1 封閉式進(jìn)水池幾何參數(shù)

封閉式進(jìn)水池泵站包括進(jìn)水池、葉輪、導(dǎo)葉以及90°彎管銜接的出水池，立式軸流泵裝置模型如圖1所示。

圖1 封閉式進(jìn)水池

葉輪的葉片數(shù)為3，葉片安放角為0°，葉輪直徑為1 200 mm，轉(zhuǎn)速為370 r/min；導(dǎo)葉的葉片數(shù)為7。單泵流量為5 m3/s。

典型的封閉式進(jìn)水池為矩形結(jié)構(gòu)形式，即后壁形狀為矩形。進(jìn)水池寬度B、后壁距T、喇叭管懸空高C，如圖2所示。圖中DL為吸水喇叭管口直徑，本文DL=1 200 mm，進(jìn)水池各幾何參數(shù)以DL為基本參數(shù)表示。

圖2 封閉式進(jìn)水池結(jié)構(gòu)形式

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 控制方程

采用三維雷諾時(shí)均N-S方程來(lái)描述泵站內(nèi)不可壓縮流體的湍流流動(dòng)。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型通過(guò)修正湍流黏度考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流動(dòng)。

2.2 動(dòng)靜交界面

對(duì)于泵站來(lái)說(shuō)，包含旋轉(zhuǎn)的葉輪、靜止的導(dǎo)葉和進(jìn)、出水池，其中進(jìn)水池與葉輪、葉輪與導(dǎo)葉之間有相互流動(dòng)耦合作用，處理動(dòng)靜交界面對(duì)整個(gè)裝置的計(jì)算起重要影響。本文采用多參考系模型處理動(dòng)靜交界面，以保證交界面的連續(xù)性。

2.3 邊界條件及網(wǎng)格剖分

進(jìn)口條件采用的是質(zhì)量入口，給定進(jìn)口邊界上的質(zhì)量流量。出口邊界取在出水流道較遠(yuǎn)處，由于出流邊界上的壓力或速度均未知，故采用自由出流。在固體邊壁處規(guī)定無(wú)滑移條件(即u=v=w=0)，在近壁區(qū)的流速分布按照壁面定律確定。

部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，由于葉輪及導(dǎo)葉等部分，幾何形狀復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行剖分，局部加密網(wǎng)格，并完成網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算總網(wǎng)格數(shù)為190萬(wàn)。其中進(jìn)水池網(wǎng)格數(shù)量60萬(wàn)，葉輪21萬(wàn)，導(dǎo)葉49萬(wàn)，出水池60萬(wàn)。對(duì)進(jìn)水池部分進(jìn)行20～80萬(wàn)數(shù)量網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)算，葉輪部分進(jìn)行10～50萬(wàn)數(shù)量網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)算。分別采用效率以及揚(yáng)程作為評(píng)判指標(biāo)，圖3表明，當(dāng)進(jìn)水池網(wǎng)格數(shù)達(dá)到50萬(wàn)以后，再增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)效率影響不是很大。當(dāng)葉輪部分網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到20萬(wàn)后，泵段揚(yáng)程在2.372附近浮動(dòng)，揚(yáng)程變化較小。最終從占用計(jì)算資源的角度考慮，最終選取進(jìn)水池60萬(wàn)、葉輪21萬(wàn)網(wǎng)格單元數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 導(dǎo)水錐

為消除進(jìn)水池底部可能產(chǎn)生的附底渦以及研究導(dǎo)水錐形式對(duì)泵站水力性能影響，共設(shè)計(jì)了9種方案(包括未加導(dǎo)水錐方案)。表1為導(dǎo)水錐形式優(yōu)化方案。HZ為導(dǎo)水錐高度，BZ為導(dǎo)水錐底寬。

表1 導(dǎo)水錐形式優(yōu)化方案

3.2 三角形導(dǎo)水錐高度

表2為不同三角形導(dǎo)水錐高度下效率比較，圖4為進(jìn)水池內(nèi)部軸向壓力分布圖。由表2可知，隨著三角形高度的增加，泵站水力性能下降，表明過(guò)高的導(dǎo)水錐在一定程度上阻礙了進(jìn)水池向喇叭管的進(jìn)水，影響了喇叭管下方水流的繞流。幾個(gè)方案的流線相對(duì)比較均勻。對(duì)比方案4與方案2，水力性能相差較小，效率變幅為0.27%，與未加導(dǎo)水錐相比，變幅下降了0.34%。方案2與方案1相比，效率下降0.07%。圖4表明：在喇叭管處，沿著水流流向壓力均勻遞增，無(wú)負(fù)壓形成。從消除進(jìn)水池下方附底渦產(chǎn)生的條件的角度，如果采用三角形導(dǎo)水錐，推薦采用方案2。

表2 三角形導(dǎo)水錐水力性能比較

圖4 進(jìn)水池內(nèi)部軸向壓力分布圖

3.3 三角形導(dǎo)水錐底寬

表3為不同三角形導(dǎo)水錐底寬效率比較，圖5為進(jìn)水池出口斷面壓力分布。由表3可知，隨著三角形導(dǎo)水錐底寬的增加，泵站水力性能增強(qiáng)，效率有所提高，變幅達(dá)到0.38%。底寬過(guò)小，在喇叭管后下方因過(guò)大空間易形成滯留區(qū)，影響水泵效率。圖5各方案壓力面上的軸向流速矢量分布均勻，均由高壓指向低壓，定量計(jì)算流速均勻度分別為0.86，0.82，0.87。如果采用三角形導(dǎo)水錐，推薦采用方案2。

表3 三角形導(dǎo)水錐水力性能比較

圖5 出口斷面壓力分布圖

3.4 傳統(tǒng)型導(dǎo)水錐

表4為傳統(tǒng)型導(dǎo)水錐在不同底寬下的效率比較，隨著底寬的增加，泵站水力性能下降，表明導(dǎo)水錐的底寬過(guò)寬，在一定程度上阻礙了進(jìn)水池向喇叭管的進(jìn)水。對(duì)比方案9與方案7，水力性能相差較小，效率下降了0.25%，與原方案(方案1)相比，效率下降了0.21%。方案7與方案1相比，效率上升0.04%。圖6進(jìn)水池內(nèi)部軸向壓力分布圖表明，導(dǎo)水錐兩側(cè)壓力分布沿著水流方向均勻遞增。從消除進(jìn)水池下方附底渦產(chǎn)生的條件的角度，如果采用傳統(tǒng)型導(dǎo)水錐，推薦采用方案7。

表4 傳統(tǒng)型導(dǎo)水錐水力性能比較

圖6 進(jìn)水池內(nèi)部軸向壓力分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

三角形導(dǎo)水錐，隨著三角形高度的增加，泵站效率在下降，說(shuō)明過(guò)高的導(dǎo)水錐在一定程度上阻礙了進(jìn)水池向喇叭管的進(jìn)水。隨著三角形底寬的增加，泵站效率在增加，說(shuō)明增大底寬對(duì)喇叭管進(jìn)水起導(dǎo)流作用。

傳統(tǒng)型導(dǎo)水錐，隨著底寬的增加，效率在下降，說(shuō)明過(guò)大的底寬不利于喇叭口的進(jìn)水。

無(wú)論是采用三角形導(dǎo)水錐還是傳統(tǒng)型導(dǎo)水錐，從效率的角度而言，它們對(duì)于泵站效率的影響不是很大。從考慮消渦的角度而言，設(shè)置導(dǎo)水錐是很有必要的，將有效減小進(jìn)水池底部產(chǎn)生的附底渦。