基于CFX的三種不同形式的雙向泵站在自引自排工況下過流特性對(duì)比

王夢(mèng)成，咸國盛，李 昕，楊 葉，陳松山

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225000； 2.鎮(zhèn)江市水利局， 江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 3.鎮(zhèn)江市諫壁抽水站管理處， 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

我國的降雨在時(shí)間和空間上具有不均衡性，季節(jié)性的干旱與洪澇交錯(cuò)出現(xiàn)，因此需要建設(shè)具有灌溉與排澇雙重功能的泵站?？尚械募夹g(shù)方案有“一站四閘”或“一站三閘”的樞紐布置方案、“S形”葉片雙向水泵方案以及“閘站合一”的雙向流道泵站方案。其中“一站四閘”與“一站三閘”的樞紐布置方案具有工程量較大的缺點(diǎn)，“S形”葉片雙向水泵方案具有效率較低的缺點(diǎn)[1]，而“閘站合一”的雙向流道泵站方案可以較好的克服這些缺點(diǎn)[2]，故“閘站合一”的雙向流道泵站在我國的灌排結(jié)合泵站中應(yīng)用較為廣泛。然而在過去的幾十年里，人們對(duì)于雙向流道泵站的研究及水力優(yōu)化設(shè)計(jì)主要集中在提灌提排的功能上，如陳衛(wèi)平[3]、袁丹青[4]、朱榮生等[5]則是結(jié)合諫壁抽水站技術(shù)改造，開展了進(jìn)、出流道數(shù)值模擬和水泵裝置模型試驗(yàn)研究。王林鎖等[6]及施衛(wèi)東[7-8]對(duì)望虞河開敞出水、箱涵式進(jìn)水雙向流道泵站進(jìn)行模型裝置特性試驗(yàn)和消渦措施的研究。周濟(jì)人等[9]、張仁田[10-11]、劉超[12-14]、成立等[15]結(jié)合江蘇高港泵站采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了泵的出水室、進(jìn)水喇叭管、導(dǎo)水錐和進(jìn)水消渦柵等，提出一種高效的雙向流道泵裝置。朱興華等[16]在分析安徽鳳凰頸泵站水位特征值基礎(chǔ)上，探討了雙向流道形式和機(jī)泵選型問題?？v觀各種文獻(xiàn)資料可知泵站研究者們對(duì)自引自排時(shí)流道內(nèi)部的流態(tài)關(guān)注的則較少，而不同形式的雙向流道在自引自排工況下的過流特性存在較大的差異。隨著近現(xiàn)代計(jì)算數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，使得計(jì)算流體力學(xué)軟件開發(fā)與應(yīng)用更為廣泛，基于CFX的湍流數(shù)值模擬現(xiàn)已成為解決工程問題的重要輔助手段。研究將基于三維湍流數(shù)值模擬典型的三類不同型式雙向流道泵站——諫壁泵站、望虞河泵站和魏村泵站為研究對(duì)象，探討不同形式的雙向流道泵站在自引自排工況下過流特性與內(nèi)流場之間的差異，旨在為以后的雙向流道泵站的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 自排自引數(shù)值模擬模型

1.1 控制方程

對(duì)于泵站水頭損失及流態(tài)計(jì)算，假設(shè)水體具有連續(xù)性和不可壓縮性[17]，其時(shí)均化的動(dòng)量方程(RANS)與連續(xù)性方程可表達(dá)為：

(1)

(2)

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型方程：

(3)

(4)

1.2 邊界條件

自引自排工況下，水泵機(jī)組處于停止?fàn)顟B(tài)，而閘門的開啟組合應(yīng)該保證水泵葉輪受到的沖擊力與擾動(dòng)盡可能的小以防止其對(duì)水泵機(jī)組造成不良影響。因此自引自排工況下過流方式只有兩種：(1) 出水流道閘門全關(guān)閉，進(jìn)水流道閘門開啟；(2) 出水流道閘門開啟，進(jìn)水流道閘門全關(guān)閉。這兩種組合下水流在進(jìn)水流道與出水流道之間串流將會(huì)被減到最小，其對(duì)泵段的影響也最小。數(shù)值模擬中雙向進(jìn)水流道的邊界條件包括：固壁面邊界條件、交界面邊界條件、進(jìn)口邊界條件和出口邊界條件。

(1) 固壁面邊界采用壁面無滑移假設(shè)，在CFX-Pro中即為Scalable壁面函數(shù)。

(2) 交界面邊界設(shè)于兩個(gè)流體域的交界面處，采用普通聯(lián)結(jié)。

(3) 進(jìn)口邊界設(shè)在進(jìn)水池進(jìn)口處，并假定來流是充分發(fā)展湍流，進(jìn)口處速度分布均勻且垂直進(jìn)口斷面。

(4) 出口邊界設(shè)在出水池出口處，考慮到回流的存在，在CFX-Pro中出口邊界設(shè)置為Open Pressure and Direction。

1.3 三維造型與網(wǎng)格剖分

因泵站的主體尺寸較大，若以原型進(jìn)行模擬，為滿足近壁面函數(shù)條件的適用性，保證模擬的精確性，則其所需的網(wǎng)格數(shù)量過于巨大，這將給網(wǎng)格劃分與數(shù)值計(jì)算帶來一系列的麻煩，因此采用模型進(jìn)行計(jì)算分析；為了使各個(gè)雙向流道之間的過流特性具有可比性，需要將不同形式的雙向流道某個(gè)具有代表性的尺寸縮放到同樣大小，現(xiàn)根據(jù)相似理論將各模型大小按照葉輪直徑設(shè)定為15 cm進(jìn)行縮放計(jì)算。根據(jù)三個(gè)泵站的施工圖進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1～圖6所示。為了消除網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證計(jì)算，綜合考慮計(jì)算耗時(shí)與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[18-19]，取諫壁泵站的網(wǎng)格數(shù)為426萬個(gè)、望虞河泵站的網(wǎng)格數(shù)為568萬個(gè)、魏村泵站的網(wǎng)格數(shù)為401萬個(gè)。

圖1 諫壁泵站流道模型

圖2 諫壁泵站流道網(wǎng)格

圖3 望虞河泵站流道模型

圖4 望虞河泵站流道網(wǎng)格

圖5 魏村泵站流道模型

圖6魏村泵站流道網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)雙向流道泵站而言，其自引自排工況下存在三種過流方式:

(1) 進(jìn)水流道過流。保持出水流道閘門全關(guān)閉，控制進(jìn)水流道閘門開度控制過流。

(2) 出水流道過流。保持進(jìn)水流道閘門全關(guān)閉，控制出水流道閘門開度控制過流。

(3) 混合過流。進(jìn)、出水流道閘門都開啟，共同控制過流量。

由文獻(xiàn)[20]可知，對(duì)于雙向流道自引自排而言，混合過流會(huì)導(dǎo)致泵段內(nèi)的流體湍動(dòng)加劇，對(duì)泵機(jī)組將會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響，故過流方式(3)舍去；保持進(jìn)水側(cè)的閘門全開，控制出水側(cè)閘門開度來調(diào)節(jié)流量是最佳的閘門控制方案。在本次模擬中采用同樣的閘門控制方案來研究過流方式(1)和過流方式(2)。

2.1 進(jìn)水流道的過流特性對(duì)比

出水流道閘門全關(guān)閉，進(jìn)水流道進(jìn)水側(cè)閘門全開啟，控制進(jìn)水流道出水側(cè)閘門相對(duì)開度使其分別為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2，經(jīng)計(jì)算各雙向流道泵站進(jìn)水流道的過流特性如圖7～圖9所示。

以進(jìn)水流道進(jìn)出口閘門全開過流量為60 L/s為例，由圖7～圖9對(duì)比可以得出，在自引自排狀態(tài)下，望虞河泵站進(jìn)水流道水頭損失最小為420 Pa，魏村泵站的損失最大為1 260 Pa，諫壁泵站處于中間為760 Pa。這是由其流道結(jié)構(gòu)特性決定的，由圖1、圖3和圖5各流道外形可知，諫壁泵站和魏村泵站是三層結(jié)構(gòu)，在進(jìn)水流道與出水流道之間有一個(gè)夾層，這個(gè)夾層的存在使得在雙向流道的尺寸相近時(shí)，進(jìn)水流道與出水流道的大小被限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，從而使得其損失較大。而魏村泵站中間夾層的高度相比較于諫壁泵站高度更高，使得進(jìn)水流道高度更低，所以對(duì)于進(jìn)水流道而言，魏村泵站進(jìn)水流道的損失大于諫壁泵站。望虞河泵站采用的是雙層流道結(jié)構(gòu)，這使得進(jìn)水流道與出水流道的高度可以設(shè)置的很高，從而減小了水力損失。

圖7 諫壁泵站進(jìn)水流道流量壓差曲線

圖8 望虞河泵站進(jìn)水流道流量壓差曲線

圖9魏村泵站進(jìn)水流道流量壓差曲線

2.2 出水流道的過流特性對(duì)比

進(jìn)水流道閘門全關(guān)閉，出水流道進(jìn)水側(cè)閘門全開，控制出水流道出水側(cè)閘門相對(duì)開度使其分別為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2，經(jīng)計(jì)算各雙向流道泵站出水流道的過流特性如圖10～圖12所示。

圖10 諫壁泵站出水流道流量壓差曲線

圖11 望虞河泵站出水流道流量壓差曲線

圖12魏村泵站出水流道流量壓差曲線

以出水流道進(jìn)出口閘門全開過流量為60 L/s為例，由圖10～圖12對(duì)比可以得出，在自引自排狀態(tài)下，望虞河泵站出水流道損失最小為480 Pa，諫壁泵站的損失最大為1 510 Pa，魏村泵站處于中間為為1 200 Pa。除了上述的流道高程原因外，諫壁泵站的出水流道設(shè)計(jì)寬度最小，而魏村泵站與望虞河泵站出水流道的寬度與進(jìn)水流道的寬度一致，相對(duì)于諫壁泵站來說較為寬闊，在高度與寬度的綜合作用下，諫壁泵站其出水流道損失最大。

2.3 各形式流道內(nèi)部流場對(duì)比

將各形式雙向流道泵站的邊界條件設(shè)為一致，以進(jìn)出水壓差2 500 Pa、進(jìn)出口閘門全開為例分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比各形式流道內(nèi)部流場的分布，見圖13～圖24，其中橫剖面以閘門高度的一半來截取，縱剖面取對(duì)稱面，圖中相同的顏色表示該區(qū)域具有相同的速度，圖例的單位為m/s。

(1) 進(jìn)水流道對(duì)比。由圖13、圖15、圖17對(duì)比可得諫壁泵站這種雙向流道形式的進(jìn)水流道內(nèi)流場流速分布最為均勻，其在連接泵段處的流速分布較為規(guī)整，故在這里的局部損失較?。欢捍灞谜九c望虞河泵站進(jìn)水流道中的流速分布較為散亂，流速變化較大，尤其是在連接泵段處，流速變化較為劇烈，故而該處的局部損失較大。這是由于魏村泵站與望虞河泵站在泵段連接處都存在一個(gè)導(dǎo)水錐，這個(gè)導(dǎo)水錐的存在使得該種形式的雙向流道在提灌、提排時(shí)可以有效的較少泵段進(jìn)口處產(chǎn)生的漩渦，但其在自引自排工況下會(huì)使得流道內(nèi)的流體產(chǎn)生繞流作用(同圓柱繞流)，使得此處的流速變化較為劇烈并在導(dǎo)流墩的背面產(chǎn)生漩渦。通過縱剖面圖14、圖16、圖18可以看出諫壁泵站進(jìn)水流道過流時(shí)流體對(duì)泵段處的擾動(dòng)作用最小，而望虞河泵站進(jìn)水流道過流時(shí)對(duì)泵段處的擾動(dòng)作用最大。這是由于望虞河泵站的結(jié)構(gòu)形式為雙層流道結(jié)構(gòu)形式，中間并沒有夾層，這使得進(jìn)水流道與泵段的距離較近，從而更容易影響到泵段處。

圖13 諫壁泵站進(jìn)水流道橫剖面

圖14 諫壁泵站進(jìn)水流道縱剖面

圖15 望虞河泵站進(jìn)水流道橫剖面

圖16 望虞河泵站進(jìn)水流道縱剖面

圖17 魏村泵站進(jìn)水流道橫剖面

圖18魏村泵站進(jìn)水流道縱剖面

(2) 出水流道對(duì)比。由圖19、圖21、圖23對(duì)比可得對(duì)于諫壁泵站出水流道內(nèi)的流場分布最為均勻。在泵段連接處，諫壁泵站在該處的流速分布最為均勻，沒有較大的流速變化，局部損失最??；而魏村泵站與望虞河泵站在出水流道連接泵段處由于泵段連接處喇叭口的存在產(chǎn)生的繞流作用使得該處的流速變化較大，產(chǎn)生的局部損失較大。通過縱剖面圖20、圖22、圖24可以看出魏村泵站出水流道過流時(shí)其對(duì)泵段的影響最大，而望虞河泵站與諫壁泵站出水流道過水時(shí)對(duì)泵段處的影響較小。其中諫壁泵站是由于在泵段連接處沒有阻礙流體運(yùn)動(dòng)的物體存在從而使得其對(duì)于泵段處的影響較小，而望虞河泵站則是由于泵段連接處的喇叭口伸出高度設(shè)置的較高，使得出水流道過流時(shí)流道內(nèi)部被擾動(dòng)的流體難以影響到泵段處。

圖19 諫壁泵站出水流道橫剖面

圖20 諫壁泵站出水流道縱剖面

圖21 望虞河泵站出水流道橫剖面

圖22 望虞河泵站出水流道縱剖面

圖23 魏村泵站出水流道橫剖面

圖24魏村泵站出水流道縱剖面

3 結(jié) 論

本文以時(shí)均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程模擬計(jì)算了諫壁泵站、望虞河泵站、魏村泵站三種具有代表性的雙向流道泵站在自引自排工況下進(jìn)水流道與出水流道單獨(dú)過流時(shí)的過流特性與在相同條件下三種不同形式的雙向流道內(nèi)部流場的分布，通過分析對(duì)比得到如下結(jié)論：

(1) 在自引自排工況下，進(jìn)水流道單獨(dú)過流時(shí)。在通過相同的流量下，望虞河泵站的水頭損失最小，而魏村泵站的水頭損失最多。在相同的壓差作用下，諫壁泵站進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)最為均勻，其在泵段連接處局部損失最小，對(duì)泵段處的影響也最??；而魏村泵站與望虞河泵站由于導(dǎo)水錐的存在使得其在泵段連接處的繞流作用較為明顯，故而該處的局部損失較大。其中望虞河泵站由于其雙層結(jié)構(gòu)使得泵段與進(jìn)水流道相距較近，故而在進(jìn)水流道過流時(shí)，流體對(duì)泵段的影響較大。

(2) 在自引自排工況下，出水流道單獨(dú)過流時(shí)。在通過相同的流量時(shí)，望虞河泵站的水頭損失最小，而諫壁泵站的水頭損失最多。在相同壓差作用下時(shí)，諫壁泵站進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)最為均勻，其在泵段連接處局部損失最小，對(duì)于泵段的影響也較小；而魏村泵站由于導(dǎo)水錐的存在且其喇叭口的伸出高度相對(duì)較低，故而對(duì)泵段處的影響最大。