某豎井貫流泵裝置流道CFD數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)研究

張劍雄 張馳 許春羚 陸林廣

【摘 ?要】經(jīng)過流道CFD數(shù)值模擬方案的比較，某泵站工程采用了豎井貫流泵裝置。為了驗(yàn)證CFD計(jì)算結(jié)果和進(jìn)行工程水泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)收，在高精度的水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了水泵裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明在葉片安放角度為-2°時(shí)，該泵裝置最高效率為80.93%，較大范圍運(yùn)行工況下空化性能優(yōu)良，最大飛逸轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的2.3倍。

【關(guān)鍵詞】豎井貫流;模型試驗(yàn);數(shù)值模擬

1.工程及試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

某泵站工程單機(jī)設(shè)計(jì)流量50m?/s。設(shè)計(jì)排澇總規(guī)模200m?/s，主要由內(nèi)河側(cè)連接段、泵房、外江側(cè)連接橋、交通橋等建筑物組成。工程為Ⅰ等，大（1）型水利工程。

該試驗(yàn)項(xiàng)目在中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司的水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)上開展，進(jìn)行了能量特性、空化、飛逸、壓力脈動(dòng)、拍門損失、進(jìn)水流道壓差測(cè)流等試驗(yàn)內(nèi)容【1】。

試驗(yàn)臺(tái)2004年7月20日通過了由水利部組織的技術(shù)鑒定，效率綜合允許不確定度優(yōu)于±0.3%，隨機(jī)不確定度在±0.1%以內(nèi)，并于2018年完成更新改造，提升了運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)檢測(cè)和分析能力;綜合技術(shù)指標(biāo)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其測(cè)量參數(shù)均通過國(guó)家級(jí)計(jì)量認(rèn)證，具有向社會(huì)提供公正水力機(jī)械檢測(cè)數(shù)據(jù)的能力和資質(zhì)。

2.CFD數(shù)值模擬試驗(yàn)

開展泵站進(jìn)、出水流道數(shù)值模擬有助于探求水流在裝置內(nèi)部的流態(tài)變化規(guī)律并優(yōu)化進(jìn)、出水?dāng)嗝媪魉俜植?、水流方向，提高裝置效率及安全穩(wěn)定性【2】。經(jīng)過揚(yáng)州大學(xué)的進(jìn)水出流道優(yōu)化設(shè)計(jì)比選后，確定了水力性能優(yōu)異泵裝置方案，計(jì)算的泵裝置能量性能見表1，設(shè)計(jì)工況時(shí)的流場(chǎng)如圖1。

圖中所示流場(chǎng)表明：在進(jìn)水流道內(nèi)，水流流動(dòng)平緩均勻、流線層次分明，以近乎垂直于葉輪室進(jìn)口斷面的方向均勻地進(jìn)入葉輪室;在出水流道內(nèi)，水流呈螺旋狀在內(nèi)作邊旋轉(zhuǎn)、邊擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)，并一直保持這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到出水流道的出口，期間未發(fā)生脫流。

3.裝置模型試驗(yàn)

3.1模型試驗(yàn)條件

在上述數(shù)值模擬計(jì)算成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行泵裝置模型試驗(yàn)，以檢驗(yàn)泵裝置的水力性能。泵裝置為豎井貫流形式，其葉片角度固定不可調(diào)節(jié)，機(jī)組電機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，其裝置的特征揚(yáng)程如表1所示：

轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)參數(shù)為：模型轉(zhuǎn)輪直徑300mm、葉片數(shù)3片、導(dǎo)葉數(shù)6片、平均葉片外緣間隙0.4mm。

模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1250 r/min，模型換算轉(zhuǎn)速為1450r/min，試驗(yàn)水質(zhì)為普通城市自來水。

試驗(yàn)最小雷諾數(shù)為6.91×106，大于規(guī)范要求3×106（試驗(yàn)水溫大于25℃）。

試驗(yàn)條件滿足《水泵模型及裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程》 SL140—2006的要求。

3.2能量性能試驗(yàn)成果

該泵裝置模型進(jìn)行了從-8度到0度，間隔2°共5個(gè)葉片角度，從接近零揚(yáng)程至零流量，包括小流量不穩(wěn)定馬鞍區(qū)的試驗(yàn)，原型綜合特性曲線如圖2。

4.結(jié)語

（1）模型試驗(yàn)結(jié)果表明該豎井貫流泵裝置在低揚(yáng)程下具有優(yōu)異的水力性能，泵裝置效率達(dá)到80.93%，設(shè)計(jì)揚(yáng)程下的臨界空化余量小于5.5m，且在設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)穩(wěn)定性良好。泵裝置模型試驗(yàn)是泵站工程建設(shè)和更新改造、進(jìn)出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)、泵裝置動(dòng)力性能預(yù)測(cè)的重要手段與依據(jù)。

（2）流道CFD數(shù)值模擬與泵裝置模型試驗(yàn)相結(jié)合互相驗(yàn)證和促進(jìn)為現(xiàn)代泵站工程研究的典型代表。本項(xiàng)目是對(duì)典型低揚(yáng)程大流量豎井貫流泵CFD計(jì)算的實(shí)際驗(yàn)證，同時(shí)是計(jì)算流體力學(xué)的需要;也對(duì)模型試驗(yàn)內(nèi)容、方法、精度提出了更高要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張弋揚(yáng)，姜海峰，何成連.南水北調(diào)工程水泵模型試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)問題處理[J].水泵技術(shù)，2012（3）：4-8.

[2]徐磊，陸林廣，陳偉，等.豎井貫流泵裝置水力設(shè)計(jì)方案比較研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011（5）：207-215.

（作者單位：1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司;2.揚(yáng)州大學(xué)）