梁寨閘站泵裝置流道CFD優(yōu)化設(shè)計

張 亞,陳亞軍

(徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221000)

1 概述

梁寨閘站位于豐縣梁寨鎮(zhèn)鄭集南支河上，是豐縣南線調(diào)水第二級泵站工程。該泵站設(shè)計流量37m3/s，選用4臺1850ZLQ12- 5.5機械全調(diào)節(jié)立式軸流泵(3機1備)，單機流量為12.33m3/s，單機配套功率為1000kW，總裝機容量4000kW。泵站采用肘形流道進水、虹吸式流道出水，真空破壞閥斷流。泵室底板順水流方向總長26.50m，垂直水流方向總長23.0m。泵站設(shè)計凈揚程4.9m，最大為5.2m，最小為3.2m[1]。

在流量為12.33m3/s，葉輪直徑為1850mm時，通過對葉輪葉片角度為+2°和+4°兩種角度下的泵裝置性能進行對比分析，最終選取+2°作為本次數(shù)值模擬葉輪角度。在特征揚程下，通過對水力模型ZM42、ZM6.0-Y981、TJ04-ZL- 20和ZM55四種原型泵段性能參數(shù)對比分析，初步選用由揚州大學開發(fā)的ZM55水力模型，基于該水力模型及其配套后導葉，采用數(shù)值模擬對肘型進水流道和虹吸式出水流道進行優(yōu)化設(shè)計[2]。

2 數(shù)值模擬基本理論及采用軟件

考慮泵裝置內(nèi)部流動介質(zhì)為水，可簡化為不可壓縮的牛頓液體，采用的控制方程為雷諾平均N-S方程，紊流模型采用SST紊流模型[3]。本工程項目采用合適的葉輪和導葉體，與進、出水流道共同組成泵站水泵裝置CFD數(shù)值仿真計算模型，開展泵站水泵裝置CFD數(shù)值仿真計算，在整個水泵運行范圍內(nèi)，進行包括水泵葉輪、導葉、進水流道、出水流道在內(nèi)的泵裝置全流道數(shù)值模擬，本次模擬對進、出水流道進行了對比優(yōu)選[4- 7]。

2.1 水力性能計算依據(jù)

2.1.1 水力損失計算依據(jù)

根據(jù)伯努利能量方程[8- 9]引入水力損失△h概念，采用CFD數(shù)值計算得到的流速場和壓力場預(yù)測過流部件的水力損失，計算式為：

(1)

2.1.2 出口斷面軸向流速分布均勻度計算依據(jù)

進水流道的設(shè)計應(yīng)為葉輪提供均勻的流速分布和壓力分布進水條件。進水流道的出口也是葉輪室的進口，其軸向速度分布均勻度Vzu反映了進水流道的設(shè)計質(zhì)量，Vzu越接近100%，表明進水流道的出口水流的軸向流速分布越均勻，其計算公式如下：

(2)

2.1.3 泵裝置性能預(yù)測計算依據(jù)

根據(jù)伯努利能量方程計算泵站裝置揚程，由計算得到的速度場和壓力場以及葉輪上作用的扭矩計算泵裝置的水力性能[10]。

泵裝置進水流道入口與出水流道出口的總能量差定義為裝置揚程，表達式如下：

(3)

泵裝置效率即為：

(4)

2.2 計算采用軟件及計算說明

采用NX 10.0與ANSYS ICEM軟件對肘形進水流道、虹吸出水流道和出水彎管進行實體建模與網(wǎng)格剖分[11]。采用ANSYS TurboGrid軟件按照葉輪D=300mm標準模型對葉輪和導葉體進行標準模型建模與網(wǎng)格剖分，再按比例放大到1850mm原型泵尺寸[12]。

2.3 進、出水流道模型方案及其組合

2.3.1 進水流道模型

在進水流道底板距離葉輪中心距離不變，通過改變轉(zhuǎn)彎處喉部位置，盡量使水流在轉(zhuǎn)彎時過渡均勻，本次數(shù)值模擬中，喉部位置較高的為方案一，較低的為方案二，如圖1所示。

圖1 肘形進水流道不同方案正、俯視對比圖

2.3.2 出水流道模型

出水流道建模時參照以往性能優(yōu)良的虹吸式出水流道確定主要設(shè)計參數(shù)，控制駝峰位置基本不變，改變駝峰斷面處水流流速，確定了2.4、2.15、2.0m/s，對應(yīng)的出水流道為方案一、方案二和方案三。不同方案出水流道情況如圖2所示。

圖2 虹吸出水流道不同方案正、俯視對比圖

在CFX軟件中裝配肘形進水流道、葉輪、導葉、出水彎管和虹吸式出水流道泵裝置模型，得出泵裝置模型如圖3所示。

圖3 立式軸流泵泵裝置模型圖

2.3.3 方案組合

整體泵裝置方案按照進水流道和出水流道方案組合，采用序號1、2、3、4，流道方案采用序號一、二、三，見表1。

表1 立式軸流泵原型泵模擬進、出水流道方案表

3 計算結(jié)果分析

3.1 肘型進水流道內(nèi)流場圖

方案一、方案二肘形進水流道流線圖如圖4所示，壓力分布云圖如圖5所示，出口壓力分布云圖如圖6所示。

3.2 虹吸出水流道內(nèi)流場圖

三種方案虹吸出水流道內(nèi)部流線圖如圖7所示，壁面靜壓云圖如圖8所示，中間斷面的靜壓云圖如圖9所示。

表2 泵站進水流道、出水流道各方案分析對比表

圖4 方案一、方案二肘形進水流道流線圖

圖5 方案一、方案二肘形進水流道壓力分布云圖

圖6 方案一、方案二肘形進水流道出口壓力分布云圖

圖7 三種方案虹吸出水流道內(nèi)部流線圖

圖8 三種方案虹吸出水流道壁面靜壓云圖

通過泵站進水流道、出水流道各方案分析對比，得出結(jié)論，見表2。

3.3 立式軸流泵泵裝置流線圖

對四種方案在設(shè)計工況下進行計算，對泵裝置內(nèi)部流線進行分析，繪出四種方案設(shè)計工況內(nèi)部流線圖如圖10所示。

對四種方案在設(shè)計工況下整體泵裝置流線進行分析，可知方案4的進、出水流道流態(tài)均最好，無漩渦和回流等不良流態(tài)，建議優(yōu)選。方案1、方案2和方案3出水流道虹吸下降段均存在小范圍的回流區(qū)，不建議選取。

3.4 立式軸流泵泵裝置性能曲線計算結(jié)果

在計算域的出口設(shè)置流量為12.33m3/s，經(jīng)過全流場的數(shù)值模擬計算，取肘形進水流道進口到虹吸式出水流道出口的性能，不同方案的性能見表3。

表3 立式軸流泵原型泵模擬計算結(jié)果(n=214.3rpm D=1850mm)

取不同方案肘形進水流道、導葉、出水彎管和出水流道的水力損失，見表4。

表4 四種方案泵裝置的水力損失

圖9 三種方案虹吸出水流道中間斷面的靜壓云圖

圖10 四種方案設(shè)計工況泵裝置內(nèi)部流線圖

通過數(shù)值模擬計算并經(jīng)分析，進水流道方案二明顯優(yōu)于方案一，水力損失小，性能更優(yōu)；出水流道方案三的性能優(yōu)于方案一和方案二，最終確定進水流道方案二和出水流道方案三為最優(yōu)方案，即方案4為最優(yōu)方案。

3.5 最優(yōu)方案的多工況數(shù)值模擬計算

選取最優(yōu)方案(方案4)，對0.8Qd、0.9Qd、1.0 Qd、1.1Qd、1.2Qd和1.25Qd的水力特性進行計算，繪制外特性曲線如圖11所示。

圖11 方案4外特性圖

4 結(jié)論

基于CFD技術(shù)，通過對泵站的流道內(nèi)流場和泵裝置內(nèi)部流線進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合泵裝置性能曲線計算結(jié)果優(yōu)選了設(shè)計方案，并計算繪制了最優(yōu)方案的流量-揚程、流量-效率曲線，該分析成果能滿足GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》要求[13]。通過CFD技術(shù)進行流動細節(jié)分析，能達到肘形進水流道、虹吸出水流道方案優(yōu)化的目標，并大大簡化流道優(yōu)化設(shè)計的工作量和難度，達到較好的優(yōu)化效果。

但是，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在ZM55葉輪安放角+2°時，可以滿足梁寨閘站的流量揚程需求，與水泵選型的+4°稍有偏差，還有待在模型試驗中進一步驗證。