豎井貫流泵裝置出水流道的優(yōu)化研究

【摘要】本文以某城市排澇泵站所用豎井貫流泵裝置為研究對象，基于CFD數(shù)值模擬方法對其開展水力流動特性分析。研究結(jié)果表明，初步設(shè)計的豎井貫流泵裝置進(jìn)水流態(tài)較好，豎井兩側(cè)流道內(nèi)的水流流速分布較均勻，沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等不良流態(tài)，但流出豎井貫流泵導(dǎo)葉后的水流仍存在一定的速度環(huán)量，引起出水流道內(nèi)流速分布不均；在保持出水流道外形結(jié)構(gòu)尺寸不變前提下，通過對中隔墩結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，有效改善了出水流道水流流態(tài)，流道出流均勻性得到提高，水力損失也較初步方案明顯下降。

【關(guān)鍵詞】豎井貫流泵裝置；出水流道；中隔墩；計算流體動力學(xué)；水力優(yōu)化設(shè)計

1、引言

作為一種低揚(yáng)程泵站結(jié)構(gòu)型式，豎井貫流式泵站廣泛應(yīng)用于平原地區(qū)的排澇工程，它通過將電機(jī)、減速器、泵體等置于平面近似呈紡錘形的鋼筋混凝土豎井內(nèi)，水流從豎井兩側(cè)流過，不僅結(jié)構(gòu)簡單、水力損失較小、造價較低，而且由于豎井開敞，通風(fēng)和防潮條件良好，運(yùn)行與維護(hù)也較為方便。

我國豎井貫流泵裝置的應(yīng)用起步較晚，早期主要通過模型試驗對其開展能量特性研究。近年來，隨著計算流體力學(xué)（CFD）的迅速發(fā)展和計算機(jī)性能的不斷提升，CFD數(shù)值模擬方法發(fā)展成為一種開展豎井貫流泵裝置的水力性能預(yù)測、內(nèi)流機(jī)理分析以及水力優(yōu)化設(shè)計等研究的重要手段。施法佳等對雙向豎井貫流泵裝置內(nèi)部三維流場進(jìn)行了數(shù)值計算，分析了泵裝置內(nèi)部速度場、壓力場以及各段的水力損失情況；劉君等對前、后置豎井貫流泵裝置內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行了對比分析，探討了水力損失的原因，并發(fā)現(xiàn)前置豎井貫流泵裝置在流態(tài)及水力性能相對較優(yōu)；謝榮盛等對雙向豎井貫流泵裝置進(jìn)行了三維流動數(shù)值仿真計算，借鑒微元法分析原理對流道內(nèi)的水力損失進(jìn)行了分析；孟凡等研究了導(dǎo)葉位置對雙向豎井貫流泵水力性能與流態(tài)的影響。

由于豎井貫流泵裝置的應(yīng)用揚(yáng)程低的特點(diǎn)，泵裝置的水力性能與組成裝置的進(jìn)、出水流道密切相關(guān)，尤其當(dāng)保證水泵進(jìn)水條件的前提下，出水流道的水力損失是影響泵裝置效率的關(guān)鍵因素。本文針對某城市排澇泵站所采用的豎井貫流泵裝置為研究對象，基于CFD數(shù)值模擬方法對其開展水力特性研究，通過在出水流道內(nèi)設(shè)置中隔墩并對其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，旨在減小流道的水力損失和提高泵裝置的整體運(yùn)行效率，為泵站設(shè)計、運(yùn)行與管理提供技術(shù)支撐。

2、計算模型和邊界條件

2.1 幾何模型及其網(wǎng)格劃分

豎井貫流泵裝置三維幾何模型包括進(jìn)水流道、泵段以及出水流道，其中泵段內(nèi)包含葉輪和導(dǎo)葉體，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，葉輪直徑為3.2m，葉輪轉(zhuǎn)速為117r/min，葉輪和導(dǎo)葉的葉片數(shù)分別為4片和6片，該泵裝置的設(shè)計流量為40m3/s，設(shè)計揚(yáng)程為3m。

豎井貫流泵裝置計算模型網(wǎng)格采用自適性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格，全局網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。為減小網(wǎng)格對數(shù)值計算結(jié)果的影響，采用理查德森外推法系統(tǒng)地對網(wǎng)格引起的截斷誤差和計算精度進(jìn)行評估，最終網(wǎng)格單元數(shù)約為600萬。

2.2 控制方程及湍流模型

豎井貫流泵裝置內(nèi)部的流動是三維不可壓湍流，流體運(yùn)動滿足質(zhì)量守恒、動量守恒定律：

為封閉動量方程（2）中的雷諾應(yīng)力項，采用基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的FBM濾波器模型來求解渦粘系數(shù)：

式（3）中，關(guān)于湍動能和湍動能耗散率的輸運(yùn)方程仍采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；而為濾波函數(shù)，它是由濾波尺寸和湍流長度比尺的比值來決定，即：

對于FBM湍流模型，由（4）式可知，對于湍流尺度小于濾波器尺寸的流動采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來求解渦粘系數(shù)，當(dāng)湍流尺度較大時，渦粘系數(shù)表達(dá)式為：

其中，、。

2.3 計算方法和定解條件

本文基于有限元的有限體積法對計算模型方程進(jìn)行求解，壁面函數(shù)采用可伸縮壁面函數(shù)?？刂品匠讨械臄U(kuò)散項和壓力梯度項采用有限元形函數(shù)表示，對流項采用高分辯率格式。流場的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法，同時引入代數(shù)多重網(wǎng)格技術(shù)，提高了求解的穩(wěn)定性和計算速度。

本文重點(diǎn)研究設(shè)計工況下豎井貫流泵內(nèi)的水流流態(tài)，對于邊界條件，進(jìn)口邊界給定設(shè)計流量40m3/s，出口邊界采用靜壓邊界條件，壁面為無滑移邊界。泵裝置的非定常計算是以相同工況下定常計算的結(jié)果作為初始流場；而對于動靜交界面，定常計算采用凍結(jié)轉(zhuǎn)輪模型，對于非定常計算，動靜交界面采用真實瞬變流模型，各計算區(qū)域交界面的數(shù)據(jù)插值采用GGI方法進(jìn)行處理。在非定常計算過程中，時間步長取為2.849×10-3s，即葉輪轉(zhuǎn)動2°，計算的總時間為15個葉輪旋轉(zhuǎn)周期，采用后10個葉輪旋轉(zhuǎn)周期統(tǒng)計平均得到的結(jié)果進(jìn)行分析。

3、結(jié)果分析及討論

3.1 初步方案結(jié)果分析

通過對豎井貫流泵裝置初步方案進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到設(shè)計流量工況時的計算揚(yáng)程為3.12m，與設(shè)計揚(yáng)程誤差在5%以內(nèi)，表明所采用的泵裝置能夠滿足泵站設(shè)計使用要求。為保障泵內(nèi)流動穩(wěn)定，下面針對泵內(nèi)流動情況進(jìn)行分析。

圖4所示的泵裝置內(nèi)三維流線圖，由圖4可知，在設(shè)計流量工況下，豎井貫流泵進(jìn)流較為均勻，進(jìn)水流道內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等不良流態(tài)，水流平穩(wěn)流入到水泵葉輪室內(nèi)。圖5所示的是葉輪與導(dǎo)葉在各圓柱截面上的流線分布情況，從圖中可以明顯看出，在設(shè)計流量工況時，水流能夠較平順的繞流葉輪葉片及導(dǎo)葉葉片表面，且沒有出現(xiàn)明顯的脫流現(xiàn)象。水流經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉輪作用后獲得能量，通過壓出室進(jìn)入出水流道，出水流道內(nèi)的三維流線及典型斷面的速度分布圖如圖6所示。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，由于流出導(dǎo)葉體的水流仍然存在部分速度環(huán)量，造成導(dǎo)葉出口截面流速分布不均且速度有旋；同時，由于出水流道的擴(kuò)散角為22°，角度偏大容易引起流道邊壁產(chǎn)生脫流；另外，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)出水流道中隔墩兩側(cè)截面P1和P2流量比為QP1/QP2=1.3，因此中隔墩兩側(cè)流量分配不均，造成流道出口存在明顯的偏流而影響泵站出流的均勻性。對于初步設(shè)計的豎井貫流泵裝置出水流道，在設(shè)計流量工況下其水力損失為0.295m。

3.2 出水流道優(yōu)化研究

由于所研究泵站布置局促，通過修改泵站出水流道斷面型線及延長出水流道長度不能滿足泵站實際的設(shè)計使用要求。因此，在豎井貫流泵裝置外形結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，將通過修改中隔墩的長度并分析其變化對出水流道流態(tài)的改善效果，以期解決泵裝置內(nèi)存在的不良水力流動問題。

圖7所示的是中隔墩結(jié)構(gòu)尺寸修改調(diào)整示意圖，其中保持中隔墩出口端點(diǎn)A不變，進(jìn)口端點(diǎn)B向?qū)~側(cè)前伸以此來改變其長度。表1列出了中隔墩的各修改方案，其中，豎井貫流泵裝置初步方案的中隔墩長度L=8m。

各方案中隔墩兩斷面流量比QP1/QP2及出水流道水力損失h情況參見表2。由表2可以看出，方案4相比其他方案，其出水流道內(nèi)中隔墩兩側(cè)的流量分配十分接近，且水力損失也最小，僅為0.26m。由圖8和圖9所示的是各方案出水流道流態(tài)圖可以發(fā)現(xiàn)，方案4的水流流態(tài)較好，相對比較平順，因此其水力損失也相對較小。

4、結(jié)論

本文以某城市排澇泵站所用豎井貫流泵裝置為研究對象，基于CFD數(shù)值模擬方法對其開展水力特性及其內(nèi)部流動特性研究，得到以下結(jié)論：

（1）初步設(shè)計的豎井貫流泵裝置進(jìn)水流道內(nèi)水流流態(tài)較好，豎井兩側(cè)流道內(nèi)的水流流速分布較均勻，且沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等不良流態(tài)；流出豎井貫流泵導(dǎo)葉后的水流仍存在一定的速度環(huán)量，引起部分旋流，造成出水流道內(nèi)水流速度分布不均。

（2）因泵站布置局促，在保持出水流道外形結(jié)構(gòu)尺寸不變以及中隔墩出口端不變的情況下，通過改變中隔墩的長度為15.0m時，能夠有效改善出水流道內(nèi)不利的水力流動問題，不僅出水流道內(nèi)的水流流態(tài)得到一定改善，而且中隔墩兩側(cè)水流流量分配基本均勻，水力損失也較初步方案的下降了11.9%。

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