杏林灣排澇泵站豎井貫流泵裝置內(nèi)部流態(tài)的數(shù)值分析

翟作衛(wèi) 蔣啟華 陶光輝

中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 湖北 武漢 430072

杏林灣排澇泵站額定排水流量為280m3/s，水泵額定揚程定為3.0m，為大流量低揚程排澇泵站，設(shè)計選用豎井貫流泵，設(shè)置7臺水泵機組，單泵設(shè)計流量為40m3/s。豎井貫流泵是將電機及其連接裝置均布置在豎井內(nèi)的的一種貫流泵型式，其進出水流道直，水流平順，水力裝置效率高，過流能力強，是一種適合低揚程或特低揚程的泵型。由于貫流式水泵能量指標高，水泵直徑相對較小，其開挖量較小，流道形狀也簡單便于施工。進出水流道呈水平布置，只有收縮擴散，沒有彎曲，因而具有較好的水力性能和較高的水泵效率。對土建施工要求低，可以節(jié)約泵房的投資。貫流泵結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，泵房高度低。

杏林灣排澇泵站具有泵站流量大、機組臺數(shù)多的特點。為了保證泵站安全、高效地運行，有必要通過數(shù)值模擬對泵站進出水流道體型方案進行選擇和驗證，提出滿足泵站安全、高效運行的改進方案。

數(shù)值模擬應(yīng)在初步確定的杏林灣排澇泵站設(shè)計方案基礎(chǔ)上，進行三維流場數(shù)值精細模擬和全面深入分析，進行方案遴選與優(yōu)化，為設(shè)計方進行方案比選提供可靠依據(jù)。

1、數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

泵站進出水系統(tǒng)內(nèi)的流動通常處于湍流狀態(tài)，湍流的運動雖然非常復(fù)雜，但在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)成立的前提下，流體的運動可以用N-S方程來描述。

1.2 湍流模型

在泵站工程進出水系統(tǒng)及水泵流道內(nèi)，容易存在回流、旋渦、二次流等典型非穩(wěn)定的流動現(xiàn)象，根據(jù)常用工程湍流模型的應(yīng)用范圍和以往計算經(jīng)驗，采用重整化群（RNG）k-ε湍流模型能夠較好的滿足泵站數(shù)值模擬研究的要求。

1.3 邊界條件

計算邊界條件，杏林灣水庫水源進口采用開放式邊界條件，泵站各流道出口給定質(zhì)量流量（40m3/s），壁面采用無滑移邊界條件，出口為自由出流。

2 泵站初始方案的泵裝置內(nèi)部流態(tài)研究

2.1 計算模型

利用ANSYS ICEM網(wǎng)格生成軟件建立計算模型的網(wǎng)格，其中，對于復(fù)雜的幾何邊界，六面體網(wǎng)格生成的技術(shù)要求較高，不利于高效地進行多方案比較。由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格非常容易處理具有復(fù)雜幾何邊界的問題且很容易作網(wǎng)格自適應(yīng)，鑒于杏林灣排澇泵站工程幾何形狀較為復(fù)雜，因此將采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來離散復(fù)雜的計算區(qū)域。在網(wǎng)格劃分過程中，對于幾何尺寸較小的部位，進行局部網(wǎng)格加密處理。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證分析，最終確定一套合理的計算網(wǎng)格。

圖1 泵站初始方案泵裝置進出水流道三維計算模型網(wǎng)格圖

2.2 計算結(jié)果分析

通過對泵站初始方案的豎井貫流泵裝置進行CFD數(shù)值模擬分析，獲得如圖1所示的三維流線圖。由圖可知，在設(shè)計工況下，豎井貫流泵進流均勻，隨著進口流道過流斷面的逐漸縮小，水流流速逐漸增加，通過豎井兩側(cè)流道內(nèi)的水流流速分布較均勻，進水流道內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等不良流態(tài)，水流能夠較平順的進入到水泵葉輪室內(nèi)。水流經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)作用后獲得能量，先后通過導(dǎo)葉和出水流道，過流斷面逐漸增大，水流流速逐漸降低；計算發(fā)現(xiàn)流出導(dǎo)葉的水流仍存在一定的速度環(huán)量使得出水流道內(nèi)存在旋流，造成流速分布不均，如圖2。為進一步分析貫流泵裝置內(nèi)的水流流態(tài)情況，沿過流斷面和水平面分別選取了若干斷面，斷面位置如圖3所示，其中水平截面H2為過葉輪中心的平面，H1和H3距離葉輪中心1.5m。

圖2貫流泵裝置內(nèi)的三維流線圖（流量：40m3/s）

圖3貫流泵的葉輪和導(dǎo)葉三維模型

2.2.1 泵站進水流道內(nèi)部流動分析

針對泵站初始方案豎井貫流泵裝置進水流道內(nèi)的流動情況進行分析，其中，圖4所示的是進水流道內(nèi)所選取的各斷面的速度分布云圖，圖5為各水平截面的流線圖。

圖4貫流泵進水流道各斷面速度分布云圖

圖5貫流泵進水流道各水平截面速度流線圖

由以上關(guān)于進水流道的速度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，對于初步設(shè)計的泵裝置進水流道，在設(shè)計流量工況下，在保證流道進口進流均勻的前提下，流道內(nèi)的水流整體比較平順，沒有出現(xiàn)明顯的脫流、旋渦等不良流態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計，葉輪進口前過流斷面5的軸向流速均勻度為92%，加權(quán)平均偏流角為8°，能夠滿足水泵入流要求。

2.2.2 泵站出水流道內(nèi)部流動分析

通過圖2所示的泵站進出水流道三維流線圖，發(fā)現(xiàn)出水流道內(nèi)存在一定的旋流，下面根據(jù)所選取的幾個典型斷面，進一步深入分析出水流道內(nèi)的流動情況。

針對杏林灣泵站用豎井貫流泵裝置的出水流道內(nèi)的流動情況進行分析，其中圖6所示的是出水流道內(nèi)所選取的各斷面的速度分布云圖。圖7為各水平截面的流線圖。

圖6貫流泵出水流道各斷面的速度分布云圖

圖7貫流泵出水流道各水平截面速度流線圖

由上述出水流道各斷面的速度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，對于原方案的泵裝置出水流道，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，雖然通過擴散型的過流通道，水流流速有所下降，但水流流動過程中形成旋流，同時在近壁區(qū)局部產(chǎn)生脫流等不良流態(tài)，容易造成水力損失增大，進而影響泵裝置的水力性能，因此出水流道需要進行改善優(yōu)化。

3 優(yōu)化方案的泵裝置內(nèi)部流態(tài)研究

對于豎井貫流泵裝置進出水流道內(nèi)水流流態(tài)的數(shù)值模擬，在出水流道增設(shè)中隔墩，改善出水流道流道，初設(shè)方案中隔墩長度為8.0m。建立了豎井貫流泵裝置三維幾何模型，其計算網(wǎng)格如圖8所示。

通過對豎井貫流泵裝置內(nèi)部的三維流場進行數(shù)值模擬計算，分析豎井貫流泵裝置內(nèi)部的水流流態(tài)，并針對存在的不良流態(tài)進行改善研究。其中，計算工況選用設(shè)計流量工況，即水泵流量40m3/s、葉輪額定轉(zhuǎn)速117r/min。

圖8豎井貫流泵裝置的計算網(wǎng)格圖

3.1 計算結(jié)果分析

通過對豎井貫流泵裝置調(diào)整方案內(nèi)部三維流場進行CFD數(shù)值模擬分析，獲得如圖9所示的泵裝置內(nèi)三維流線圖。由圖9可知，在設(shè)計工況下，豎井貫流泵進流比較均勻，進水流道內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等不良流態(tài)，水流較平順的流入到水泵葉輪室內(nèi)。水流經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉輪作用后獲得能量，先后通過壓出室進入出水流道，隨著過流斷面逐漸增大，水流流速也逐漸降低。從出水流道內(nèi)的流速分布情況來看，如圖10所示，流道出口的流速分布不均。

圖9貫流泵裝置內(nèi)的三維流線圖（流量：40m3/s）

圖10 豎井貫流泵裝置出水流道內(nèi)的三維流線圖和典型斷面速度分布云圖

3.2 豎井貫流泵裝置出水流道的改善研究

由豎井貫流泵裝置出水流道的三維流線及典型斷面的速度分布圖（圖9和圖10）可以發(fā)現(xiàn)，對于目前設(shè)計的泵裝置出水流道，還存在一定不足：一方面由于流出導(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；另一方面出水流道的擴散角偏大（角度為22°），容易造成流道邊壁脫流。不良的流態(tài)不僅容易引起水力損失增大而影響泵裝置的水力性能，另外還發(fā)現(xiàn)中隔墩兩側(cè)的流量分配不均，進而造成流道出口存在明顯的偏流。因此，針對泵站出水流道，在不改變其外形結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，通過修改和分析中隔墩的長度變化對出水流道流態(tài)的改善效果，以期解決泵裝置內(nèi)存在的不利水力流動問題。修改方案一為13.25m，修改方案二為15.15m，修改方案三為15.25m。

圖11所示的是中隔墩尺寸各修改方案的出水流道三維流線及典型斷面速度分布云圖。

圖11中隔墩結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整各方案的出水流態(tài)圖

為了方便比較上述各修改方案的中隔墩兩側(cè)流量分配情況，在中隔墩兩側(cè)選取斷面Plane1和Plane2，如圖12所示，分別對這兩個過流斷面進行流量統(tǒng)計，對比分析上述修改方案兩斷面上的流量比（QPlane1/QPlane2）情況，具體參見表1。

圖12中隔墩兩側(cè)的過流斷面

表1中隔墩兩側(cè)斷面的流量比

對于中隔墩各修改方案的出水流態(tài)（如圖11）以及中隔墩兩側(cè)的流量分配情況（見表1）可以發(fā)現(xiàn)，相比其他方案，修改方案2，即中隔墩長度為15.15m，其出水流道內(nèi)的水流流態(tài)較好、相對比較平順，同時中隔墩兩側(cè)的流量分配也較為均勻。

4 結(jié)論

（1）對于杏林灣排澇泵站初始方案的豎井貫流泵裝置，在均勻進流的條件下，進水流道內(nèi)的水流流態(tài)較好，豎井兩側(cè)流道內(nèi)的水流流速分布較均勻，進水流道內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的旋渦、回流等不良流態(tài)，水泵進流均勻、平順；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；通過在出水流道內(nèi)增設(shè)中隔墩，有助于改善泵站出水流道內(nèi)水流流速分布不均的問題。

（2）對于杏林灣泵站調(diào)整方案，在均勻進流條件下，泵站進水流道流態(tài)較好，但由于流出導(dǎo)葉的水流仍具有一定速度環(huán)量且出水流道擴散角偏大，使得出水流道內(nèi)存在不良流態(tài)，以及中隔墩兩側(cè)流量分配不均進而容易造成流道出口出現(xiàn)偏流問題.

（3）在保持中隔墩出口端不動的情況下，通過改變中隔墩的長度為15.15m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，有助于保證泵站良好的出水條件。