不同運(yùn)行方式對(duì)一體化預(yù)制泵站流動(dòng)特性和筒體強(qiáng)度的影響

張子旭，王 凱,2，陳 昆，楊建華，王淑紅，王 玥

(1. 江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009； 3. 寧波巨神制泵實(shí)業(yè)有限公司，浙江 寧波 315135； 4. 泰州市罡陽噴灌機(jī)有限公司，江蘇 泰州 225300； 5.中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，西安 710077)

隨著我國城市化快速發(fā)展造成的“熱島效應(yīng)”和“混濁島效應(yīng)”增強(qiáng)，城市暴雨頻率不斷增加。而目前國內(nèi)許多城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，排水系統(tǒng)建設(shè)滯后，導(dǎo)致“逢雨必澇”已經(jīng)成為我國城市重大災(zāi)害之一。泵站是排水儲(chǔ)水系統(tǒng)的重要設(shè)施，是管網(wǎng)上的重要節(jié)點(diǎn)，但運(yùn)用混凝土泵站的管網(wǎng)改造成本高，施工難度大，費(fèi)效比低，而一體化泵站則很好地解決了這些問題。

一體化預(yù)制泵站是一種集潛水泵、泵站設(shè)備、除污格柵設(shè)備、控制系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)于一體的產(chǎn)品，其特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)靈活，泵站建設(shè)周期極短，安裝極其簡(jiǎn)便。在歐洲，一體化預(yù)制泵站已經(jīng)有了近50年的使用歷史，我國于2010年開始引入，目前在國內(nèi)的生產(chǎn)運(yùn)用變得越來越廣泛[1]，有許多學(xué)者和研究人員對(duì)一體化泵站的應(yīng)用范圍和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索。候宏林結(jié)合泵站引、排、灌的一體化建設(shè)，指出泵站的一體化設(shè)計(jì)施工，能夠合理的減少占地，優(yōu)化泵站建設(shè)方案，縮短建設(shè)周期、節(jié)約泵站的投資成本[2]。欒金秀、王卓穎、馬秀美等通過比較一體化泵站與傳統(tǒng)泵站的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了一體化泵站的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)[3-5]。孟凡有等從筒體有效容積及其內(nèi)部揚(yáng)程損失、抗浮設(shè)計(jì)及校驗(yàn)、基礎(chǔ)螺栓選用以及筒體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面，詳細(xì)介紹了一體化預(yù)制泵站的選型設(shè)計(jì)及施工注意事項(xiàng)[6]。林建光等介紹了環(huán)創(chuàng)粉碎型格柵的工作原理，以及在一體化預(yù)制泵站中的應(yīng)用[7]。

由于預(yù)制泵站高度集成化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，所以預(yù)制泵站的設(shè)計(jì)需要便于安裝施工、防止雜質(zhì)沉淀以及改善水泵的進(jìn)口入流條件，以達(dá)到內(nèi)部流態(tài)好、無堵塞甚至自清潔的功能。目前數(shù)值計(jì)算是公認(rèn)的高效可靠的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法，馮俊豪對(duì)設(shè)計(jì)的兩種不同泵坑方案進(jìn)行了流動(dòng)分析，比較了兩種泵坑內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及其對(duì)排污泵入流狀態(tài)的影響[8]。王默從不同水泵安裝位置、泵坑形狀、導(dǎo)水錐幾何尺寸3個(gè)方面分析了一體化泵站幾何參數(shù)對(duì)水力性能的影響[9]。

目前一體化泵站的內(nèi)流狀態(tài)方面的研究，還存在以下兩點(diǎn)問題，一方面由于只計(jì)算泵坑區(qū)域，將自由液面作為壁面，忽略了大氣壓力的影響，因而產(chǎn)生了不小的誤差。另一方面所設(shè)計(jì)的泵坑和結(jié)構(gòu)參數(shù)不便于安裝施工，不具有實(shí)際參考性。另外數(shù)值計(jì)算的內(nèi)容局限于內(nèi)流狀態(tài)，忽略了筒體強(qiáng)度等重要的信息，對(duì)工程應(yīng)用的參考性不大。因此，本文基于VOF模型和Workbench分析了泵運(yùn)行位置、工作水位、潛水泵高度等運(yùn)行方式對(duì)一體化預(yù)制泵站流動(dòng)特性和筒體強(qiáng)度的影響，以期為一體化預(yù)制泵站的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供借鑒。

1 物理模型及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型設(shè)計(jì)

一體化預(yù)制泵站的主要參數(shù)為：井筒直徑D=3.8 m，高度h=7.2 m，壁厚z=25 mm，泵站規(guī)模Q=2 400 m3/h，采用混流式潛水泵3臺(tái)，2用1備，分別標(biāo)記為P1、P2和P3，單泵設(shè)計(jì)流量Qd=1 200 m3/h，揚(yáng)程為H=10 m，功率P=45 kW，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min。筒體材料為玻璃鋼，拉伸彈性模量為11.9 GPa，拉伸強(qiáng)度為153 MPa。一體化預(yù)制泵站的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of integrated prefabricated pumping station

本文主要從泵的運(yùn)行位置、工作水位、潛水泵高度3個(gè)因素分析一體化預(yù)制泵站內(nèi)流狀態(tài)，因此基于常規(guī)泵站結(jié)構(gòu)(泵對(duì)稱運(yùn)行、5 m工作水位、1 m潛水泵高度)設(shè)置3個(gè)對(duì)比方案，共6個(gè)方案，如表1所示。

表1 不同運(yùn)行方式Tab.1 Different operation modes

采用Pro/E對(duì)計(jì)算域進(jìn)行三維造型，其中包括混流式潛水泵水體和一體化預(yù)制泵站筒內(nèi)水體，其中潛水泵計(jì)算域包括：葉輪、間隙、蝸殼，如圖2所示。

圖2 一體化預(yù)制泵站水體造型Fig.2 Water modeling of integrated prefabricated pumping station

1.2 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量和邊界層網(wǎng)格尺，并且葉片均為圓柱葉片，故采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，并對(duì)葉片及隔舌附件區(qū)域進(jìn)行局部加密，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢查后采用第2套網(wǎng)格。潛水泵的網(wǎng)格無關(guān)性檢查如表2所示。潛水泵計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖3所示。

1.3 流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法

選用商業(yè)軟件ANSYS FLUENT，針對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)部流動(dòng)的特點(diǎn)，由于運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域與靜止網(wǎng)格區(qū)域間的相互作用比較微弱，網(wǎng)格規(guī)模較為龐大，采用計(jì)算較為方便的多重坐標(biāo)系模型[10]，葉輪流場(chǎng)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其余部分均采用靜止坐標(biāo)系，在動(dòng)靜兩種計(jì)算域之間設(shè)置數(shù)據(jù)交界面。在定常數(shù)值計(jì)算中，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面，以時(shí)均N-S方程作為基本控制方程。計(jì)算域固體壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，近壁處由于黏性效應(yīng)很大，采用Scalable壁面函數(shù)。筒體進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，流量為666.66 kg/s。管道出口設(shè)置為自由出流[11]。

表2 潛水泵的網(wǎng)格無關(guān)性檢查Tab.2 Mesh independence of submersible pump

圖3 潛水泵網(wǎng)格Fig.3 Mesh of submersible pump

兩相流模型選取能夠準(zhǔn)確模擬互不摻雜多相流動(dòng)的VOF模型。定義水和空氣的介質(zhì)屬性，標(biāo)記液位高度，通過Patch功能來實(shí)現(xiàn)氣液兩相的初始分布，氣相與大氣不相通。為了更好的運(yùn)算，采用SIMPLE算法來求解壓強(qiáng)-速度方程，體積分?jǐn)?shù)的空間離散方式選用“Geo-Reconstruct”。

本文中使用VOF兩相流模型，液相和氣相只在交界面處有少量混合，符合實(shí)際的運(yùn)行情況。由于上層空氣的壓力恒定，且氣液相之間沒有明顯的混合運(yùn)動(dòng)，所以提取液面以下的液相流場(chǎng)進(jìn)行特別分析。分別對(duì)XZ、YZ和XY平面(h=3 m)的流場(chǎng)進(jìn)行比較，平面的位置如圖4所示。

圖4 不同平面示意圖Fig.4 Schematic diagram of different planes

圖5給出了報(bào)警液位下XZ平面和YZ平面氣體體積分?jǐn)?shù)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)氣液相之前沒有混合，分界明顯，因此可以證明本文采用的VOF兩相流模型能夠準(zhǔn)確模擬一體化預(yù)制泵站內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。

圖5 預(yù)制泵站YZ平面氣體體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Gas volume fraction of YZ plane

1.4 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算方法

根據(jù)一體化預(yù)制泵站筒內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，基于流固耦合，采用ANSYS Workbench 的Static Structural (ANSYS)模塊，對(duì)預(yù)制泵站在不同液面下工作時(shí)筒體所受應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。將筒底設(shè)置為固定面，整體施加重力載荷，如圖6所示。對(duì)流固耦合作用面施加水力載荷，選擇筒體內(nèi)壁面進(jìn)行計(jì)算。選擇默認(rèn)網(wǎng)格尺度劃分固體域網(wǎng)格，圖7為一體化預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格[12]。

圖6 設(shè)置固定面Fig.6 Setting of the fixed surface

圖7 一體化預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格Fig.7 Structural model mesh of integrated pumping station

1.5 混流泵外特性分析

圖8給出了該混流式潛水泵的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的外特性曲線。由圖8可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)保持一致。設(shè)計(jì)工況下效率的計(jì)算值為84.6%，試驗(yàn)值為81.2%，預(yù)測(cè)偏差為3.4%；揚(yáng)程的計(jì)算值為10.38 m，試驗(yàn)值為10.1 m，預(yù)測(cè)偏差為2.7%。其他各工況下的揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差均小于5%。因此，該混流式潛水泵的數(shù)值計(jì)算方法是可行的。

圖8 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的外特性比較Fig.8 External characteristics with numerical calculation and experimental measurement

2 不同運(yùn)行方式對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)流特性的影響

2.1 泵運(yùn)行位置對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)流特性的影響

由于該預(yù)制泵站配備有3臺(tái)污水潛水泵，兩開一備，選取其中的一種相鄰位置和兩側(cè)分布位置進(jìn)行模擬研究，泵站在正常水位下運(yùn)行。圖9～圖11分別為不同泵運(yùn)行位置下XZ、YZ和XY平面的液相流線圖和流速云圖。

圖9 不同泵運(yùn)行位置下XZ平面流場(chǎng)Fig.9 Flow field under different pump operation positions of XZ plane

圖10 不同泵運(yùn)行位置下YZ平面流場(chǎng)Fig.10 Flow field under different pump operation positions of YZ plane

圖11 不同泵運(yùn)行位置下XY平面流場(chǎng)Fig.11 Flow field under different pump operation positions of XY plane

從圖10可以看到3臺(tái)泵的輪廓，并且在泵的入口處存在明顯的高速區(qū)，在潛水泵對(duì)稱運(yùn)行的情況下，泵坑附近的流線也基本呈對(duì)稱分布，不過由于潛水泵的安裝方向相同，右側(cè)泵離筒壁的距離大于左側(cè)泵，也導(dǎo)致右側(cè)的流速更快，左側(cè)的流場(chǎng)趨于雜亂。而在相鄰運(yùn)行的情況下泵筒右上方的渦流面積增大，右側(cè)的液相被兩臺(tái)潛水泵拖拽至泵內(nèi)入口，由于液相受力基本在一個(gè)方向，導(dǎo)致中間潛水泵的入口偏流角較大，長期在這種情況下運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致泵的性能下降，而對(duì)左側(cè)筒壁的壓力堆積，也會(huì)造成一些不對(duì)稱形變。

從圖11可以看出不管是對(duì)稱運(yùn)行還是相鄰運(yùn)行，XY平面都出現(xiàn)了兩個(gè)范圍較大的漩渦，而當(dāng)潛水泵對(duì)稱布置時(shí)漩渦的大小形狀也基本呈對(duì)稱分布，而相鄰運(yùn)行時(shí)，在閑置泵的左側(cè)的渦流范圍更大，這與YZ平面相鄰運(yùn)行時(shí)渦流的運(yùn)動(dòng)軌跡也相符合。另一方面，當(dāng)泵對(duì)稱運(yùn)行時(shí)兩個(gè)漩渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，而相鄰運(yùn)行時(shí)方向是相同的。

2.2 工作水位對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)流特性的影響

該一體化泵站正常運(yùn)行時(shí)水位維持在5 m左右，而啟泵水位為4 m，報(bào)警水位為5.5 m。圖12～圖14分別為不同工作水位下XZ、YZ和XY平面的液相流線圖和流速云圖。

圖12為不同工作水位下XZ平面的流場(chǎng)。由于該平面遠(yuǎn)離泵的運(yùn)行范圍，所以基于一體化泵站的工作要求，該平面上的流場(chǎng)越雜亂，流速均勻度越小，越能達(dá)到?jīng)_擊污物，防止堆積的效果，可以看到正常液位下漩渦數(shù)量最多，啟泵液位下泵坑處流速最大，而報(bào)警液位下由于水量較多，流動(dòng)也比較均勻，容易導(dǎo)致泥沙、雜物的聚集。從理論角度考慮，液位越低時(shí)，XZ平面的流場(chǎng)越雜亂，流速越高，防沉積效果也最好，但在實(shí)際工作環(huán)境下，需要考慮一體化泵站的有效容積，液位不能過低。

圖12 不同工作水位下XZ平面流場(chǎng)Fig.12 Flow field under different water levels of XZ plane

圖13為不同工作水位下YZ平面的流場(chǎng)。可以看到潛水泵的入流狀態(tài)，在啟泵液位下運(yùn)行時(shí)，泵坑處流速較快流線雜亂，也導(dǎo)致了入口偏流角較嚴(yán)重。而報(bào)警液位下運(yùn)行時(shí)，雖然潛水泵入口中心部分入口偏流角很小，但在邊緣處產(chǎn)生了漩渦，且整體流速平緩，不利于泵坑的自清潔。

圖13 不同工作水位下YZ平面流場(chǎng)Fig.13 Flow field under different water levels of YZ plane

圖14為不同工作水位下XY平面的流場(chǎng)。可以很清楚地看出，當(dāng)啟泵液位下運(yùn)行時(shí)，流線較為雜亂，擾流較多，未能形成明顯的對(duì)稱分布的趨勢(shì)，下側(cè)的漩渦較大。隨著液位的升高，XY平面的平均流速下降，流線也逐漸呈對(duì)稱分布。

圖14 不同工作水位下XY平面流場(chǎng)Fig.14 Flow field under different water levels of XY plane

2.3 潛水泵高度對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)流特性的影響

圖15～圖17分別為不同潛水泵高度下XZ、YZ和XY平面的液相流線圖和流速云圖。當(dāng)泵的安裝高度為0.5 m時(shí)，雖然泵坑附近的流速很快，高速區(qū)更接近需要清洗的區(qū)域，但是泵的入口過于靠近壁面，流體不能得到有效的緩沖，產(chǎn)生了漩渦，且入口偏流角也較大。當(dāng)泵的安裝高度為1.5 m時(shí)，泵的下方分成了兩部分的漩渦，而逆向流的影響導(dǎo)致了泵入口高速區(qū)的較小，不利于污物被吸入泵內(nèi)。

圖15 不同潛水泵高度下XZ平面流場(chǎng)Fig.15 Flow field under different submersible pump heights of XZ plane

圖16 不同潛水泵高度下YZ平面流場(chǎng)Fig.16 Flow field under different submersible pump heights of YZ plane

圖17 不同潛水泵高度下XY平面流場(chǎng)Fig.17 Flow field under different submersible pump heights of XY plane

圖18 不同泵運(yùn)行位置下筒體應(yīng)力分布(單位：MPa)Fig.18 Stress distribution of cylinder under different pump operating positions

3 不同運(yùn)行方式對(duì)一體化預(yù)制泵站筒體強(qiáng)度的影響

3.1 泵運(yùn)行位置對(duì)一體化預(yù)制泵站筒體強(qiáng)度的影響

圖18為不同泵運(yùn)行位置下的筒體應(yīng)力分布。筒底的應(yīng)力均大于筒頂?shù)膽?yīng)力。潛水泵對(duì)稱運(yùn)行時(shí)筒體最大應(yīng)力為0.068 3 MPa，相鄰運(yùn)行時(shí)最大應(yīng)力為0.062 4 MPa，但潛水泵相鄰運(yùn)行時(shí)筒體的平均應(yīng)力更大，靠近出水管的一側(cè)筒壁有壓力堆積，導(dǎo)致應(yīng)力也很集中。

圖19為不同泵運(yùn)行位置下的筒體應(yīng)變分布。在不同泵運(yùn)行位置下，筒體的變形大致相似，整個(gè)筒壁向外輕微膨脹，靠近出水管的一側(cè)筒壁變形大于周圍壁面，整體的應(yīng)變從筒底至頂部逐漸增大，呈現(xiàn)出均勻的應(yīng)力波紋。潛水泵對(duì)稱運(yùn)行時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.003 9 mm，分布在筒頂處。潛水泵相鄰運(yùn)行時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.005 mm，分布在出水管附近。

圖19 不同泵運(yùn)行位置下筒體應(yīng)變分布(單位：mm)Fig.19 Deformation distribution of cylinder under different pump operating positions

3.2 工作水位對(duì)一體化預(yù)制泵站筒體強(qiáng)度的影響

圖20為不同工作水位下的筒體應(yīng)力分布。啟泵液位下筒體最大應(yīng)力為0.15 MPa，正常液位下最大應(yīng)力為0.068 MPa，報(bào)警液位下最大應(yīng)力為0.043 MPa。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，高液位下筒體的平均應(yīng)力更大。

圖20 不同工作水位下筒體應(yīng)力分布(單位：MPa)Fig.20 Stress distribution of cylinder under different water levels

圖21 不同工作水位下應(yīng)變分布(單位：mm)Fig.21 Deformation distribution of cylinder under different water levels

圖21為不同工作水位下的筒體應(yīng)變分布。對(duì)比圖19可以發(fā)現(xiàn)，工作水位的變化對(duì)筒體形變的影響相對(duì)較大，整體的應(yīng)變分布也不一樣，但都符合從筒底至筒頂逐漸增大的原則，啟泵液位下筒體最大應(yīng)變?yōu)?.006 3 mm，集中在進(jìn)水管處。正常液位下最大應(yīng)變?yōu)?.003 9 mm，均勻分布在預(yù)制泵站的筒頂，報(bào)警液位下最大應(yīng)變?yōu)?.004 2 mm，集中在出水管一側(cè)的筒壁上。

圖22為不同工作水位下筒體的最大應(yīng)力應(yīng)變。從中可以看到：隨著液位的上升筒體的最大應(yīng)力下降。受到預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)因素的影響，最大應(yīng)變則隨著工作水位的變化先減小后增大。

圖22 不同工作水位下筒體最大應(yīng)力應(yīng)變Fig.22 Maximum stress and deformation of cylinder under different water levels

3.3 潛水泵高度對(duì)一體化預(yù)制泵站筒體強(qiáng)度的影響

圖23為不同潛水泵高度下的筒體應(yīng)力分布，泵的安裝高度為0.5 m時(shí)筒體最大應(yīng)力為0.072 MPa，泵的安裝高度為1 m時(shí)最大應(yīng)力為0.068 MPa，泵的安裝高度為1.5 m時(shí)最大應(yīng)力為0.038 MPa，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，泵的安裝高度越高，筒體的平均應(yīng)力越大。

圖23 不同潛水泵高度下筒體應(yīng)力分布(單位：MPa)Fig.23 Stress distribution of cylinder under different submersible pump heights

圖24為不同潛水泵高度下的筒體應(yīng)變分布。泵的安裝高度為0.5 m時(shí)筒體最大應(yīng)變?yōu)?.005 3 mm，泵的安裝高度為1 m時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.003 9 mm，泵的安裝高度為1.5 m時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.002 6 mm。

圖24 不同潛水泵高度下應(yīng)變分布(單位：mm)Fig.24 Deformation distribution of cylinder under different submersible pump heights

圖25為不同潛水泵高度下的筒體最大應(yīng)力應(yīng)變。隨著安裝高度的增加，筒體最大應(yīng)力應(yīng)變都在下降。

4 結(jié) 語

本文基于VOF模型研究了潛水泵運(yùn)行位置、工作水位、潛水泵高度對(duì)一體化預(yù)制泵站流動(dòng)特性和筒體強(qiáng)度的影響，主要結(jié)論如下。

(1)潛水泵對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，入口偏流角較小，有利于提高潛水泵的使用壽命。

(2)液位越低時(shí)流場(chǎng)越雜亂，流速越高，防沉積效果也最好，但在實(shí)際工作環(huán)境下，需要考慮一體化泵站的有效容積，液位不能過低。

(3)泵的安裝高度為1 m時(shí)，可以使流體在入口得到緩沖，并有效規(guī)避逆向流的影響。

(4)一體化預(yù)制泵站的應(yīng)力從筒底至筒頂逐漸減小，應(yīng)變則逐漸增大。隨著工作水位和安裝高度的上升筒體最大應(yīng)力均下降；隨著安裝高度的上升筒體最大應(yīng)變減小。