一體化泵站流動(dòng)特性數(shù)值模擬分析

蔣紅櫻， 李尚紅， 周春峰， 成 立， 王 默

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省江都水利工程管理處， 江蘇 揚(yáng)州 225200；3.江蘇省南京市水務(wù)設(shè)施管理中心， 江蘇 南京 210000； 4.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225100)

隨著我國(guó)城市化的發(fā)展，大量的廢水與污水也隨之而產(chǎn)生，如若不及時(shí)的處理得當(dāng)，會(huì)對(duì)城市造成一定的影響，因而需要泵站進(jìn)行一定的排送[1]。目前運(yùn)用較多的仍是傳統(tǒng)混凝土泵站，但混凝土泵站具有投資較大、建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大、耗費(fèi)的人力、物力等缺點(diǎn)，同時(shí)混凝土泵站建設(shè)成后就很難進(jìn)行移動(dòng)[2-3]。一體化泵站是一種新型的泵站，從制造、安裝以及維護(hù)都較簡(jiǎn)便，得到廣泛應(yīng)用。另外，一體化泵站的建設(shè)可很好地解決當(dāng)?shù)赝恋鼐o缺問(wèn)題且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成太大的污染。但目前對(duì)于一體化泵站的研究主要還是偏重于工程應(yīng)用，對(duì)于泵站內(nèi)部流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)尚不足。本文在不同流量工況下，對(duì)一體化泵站內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。

迄今為止，國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者對(duì)一體化泵站做出了研究，尤鑫等[4]指出一體化泵站解決了傳統(tǒng)污水泵站所存在的一些缺陷，并使污水提升泵站的無(wú)人值守概念成為可能。談?wù)龔?qiáng)等[5]進(jìn)行了一體化泵站內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)模擬與分析，提出了順序并聯(lián)和對(duì)稱并聯(lián)兩種方案。張子旭等[6]在不同運(yùn)行方式下，指出了一體化預(yù)制泵站中潛水泵對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，入口偏流角較??；一體化預(yù)制泵站的應(yīng)力從筒底到筒頂逐漸減小，應(yīng)變則逐漸增大。成立等[7]等在“一種一體化泵站底部自清潔方法”的發(fā)明專利中利用設(shè)置在曲面筒底內(nèi)8～12個(gè)逆時(shí)針圓弧肋條，實(shí)現(xiàn)了使用曲面底部鑲嵌逆時(shí)針圓弧肋條的自清潔。王默[8]通過(guò)數(shù)值模擬分析了對(duì)一體化泵站各幾何參數(shù)、底部流態(tài)以及導(dǎo)水錐的幾何參數(shù)對(duì)水力性能的影響。本文針對(duì)一體化泵站不同運(yùn)行工況，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)泵不同特征工況下內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析[9-11]。

1 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算

1.1 三維建模及控制參數(shù)

圖1為一體化泵站的結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算區(qū)域包含集水池、2臺(tái)左右對(duì)稱安置的潛水式軸流泵(其內(nèi)部包括葉輪、導(dǎo)葉以及2個(gè)潛水電機(jī))、以及1個(gè)進(jìn)水口和2個(gè)出水管道。

圖1 一體化泵模型正視與側(cè)視圖

1.2 數(shù)值計(jì)算方法以及邊界條件

由于泵內(nèi)部流動(dòng)為非定常粘性流動(dòng)，故采用雷諾時(shí)均Nawer-Stokes方程描述其流動(dòng)規(guī)律。對(duì)于該一體化泵站模型主要分為集水池，2個(gè)葉輪和導(dǎo)葉，2個(gè)喇叭管，2個(gè)出水管道。選定的葉輪直徑為120 mm,葉片數(shù)為3片，轉(zhuǎn)速為2 400 r/min。本文針對(duì)小流量工況，設(shè)計(jì)流量以及大流量工況進(jìn)行了計(jì)算分析。

進(jìn)口條件采用的是質(zhì)量入口，給定質(zhì)量流量，出流邊界采用自由出流，固體邊壁條件為無(wú)滑移。

1.3 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性

利用ICEM CFD對(duì)葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而喇叭管，出水流道以及集水池主體部分，是利用workbench中用mesh進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。為了有更好的適應(yīng)性，采用四面體進(jìn)行的網(wǎng)格劃分，并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的分析。模型采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，并進(jìn)行了計(jì)算。圖2(a)為導(dǎo)葉與葉輪部分網(wǎng)格。本文主要對(duì)集水池這個(gè)主體部分進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性探究，采用的網(wǎng)格數(shù)量為30～130萬(wàn)個(gè)，通過(guò)水泵Ⅰ效率作為評(píng)判指標(biāo)。由圖2(b)可知，最終采用的計(jì)算總網(wǎng)格數(shù)量為120萬(wàn)個(gè)。

圖2 導(dǎo)葉葉與輪部分網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性比較

2 計(jì)算結(jié)果與分析

5種不同流量工況分別為：小流量工況Q1=0.35Q設(shè)=68.4 m3/h、Q2=0.65Q設(shè)=129.6 m3/h，設(shè)計(jì)流量工況Q設(shè)=198 m3/h，大流量工況Q4=1.25Q設(shè)=248.4 m3/h、Q5=1.5Q設(shè)=298.8 m3/h，其中水泵安裝的中心距L0，兩水泵所在出水管道的水平中心點(diǎn)的距離為S0，簡(jiǎn)稱泵間距，懸空高H0。

2.1 一體化泵站流動(dòng)特性分析

圖3為各截面示意圖，截面2-2從進(jìn)水管口處分為左截面、右截面，截面1-1為垂直于中心距的兩水泵的截面，截面3-3、4-4分別為一體化泵站距池底與喇叭管口中間以及喇叭管口處。由圖4知，將水泵Ⅰ和水泵Ⅱ的效率取平均值，從圖中可以看出，設(shè)計(jì)流量工況附近，水泵平均效率較高，流量過(guò)小或者流量過(guò)大工況下兩水泵效率均有所下降，且大流量工況下，水泵效率下降較快。

圖3 斷面示意圖

圖4 一體化泵站性能曲線圖

圖5為不同工況集水池內(nèi)部進(jìn)水管處左右截面內(nèi)流線與流速圖，由圖可知，小流量工況下，入水口處流速平緩，隨著流量的降低集水池內(nèi)上下擴(kuò)散嚴(yán)重，且喇叭管入口附近處出現(xiàn)漩渦，流場(chǎng)較雜亂。設(shè)計(jì)流量工況下，入水口處水流流速較高，集水池內(nèi)漩渦有所減少，但在管道Ⅰ與Ⅱ的上端前后方形成漩渦。大流量工況下，隨流量的增加，管道上端前后方漩渦明顯減少，入水口流速加快。

圖6為不同流量工況下，兩管道中心連線所在平面集水池部分縱斷面(斷面1-1)。小流量工況下，兩管道間的流線分布較為均勻，無(wú)漩渦，隨著流量減小，水泵Ⅰ喇叭口處附近出現(xiàn)明顯的漩渦，嚴(yán)重影響水泵Ⅰ的運(yùn)行；設(shè)計(jì)流量工況下，管道間出現(xiàn)一明顯的流線集中點(diǎn)，流線分布較均勻；大流量工況下，流線分布均較均勻，隨流量增多，管道間流線明顯偏向管道Ⅰ，影響兩水泵平穩(wěn)運(yùn)行。圖6(f)為各工況下兩水泵效率變化示意圖，由圖可知，較小或較大流量工況下兩水泵運(yùn)行效率偏差較大，設(shè)計(jì)流量工況下偏差不大。

由圖7和8可知，小流量工況下，池底部以及喇叭管入口處出現(xiàn)很大漩渦，水流流態(tài)較差，雖利于池底部自清潔，但嚴(yán)重影響水泵進(jìn)水流態(tài)；隨流量的稍增加，漩渦明顯減小，在喇叭管入口截面漩渦有所消失，喇叭管相對(duì)位置處始終有一漩渦，流場(chǎng)較雜亂。設(shè)計(jì)流量工況下，流線分布基本一致，左右兩側(cè)的流線及流速分布較為對(duì)稱。大流量工況下，喇叭管的下方區(qū)域在集水池中心位置處漩渦稍有增大，左右兩側(cè)的流線及流速分布較為對(duì)稱，隨流量的增加，進(jìn)水流線明顯偏向左側(cè)喇叭管入口處，影響水泵的高效與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖5 不同流量工況下縱斷面S0/R=0.3 流線與速度分布圖

圖6 不同流量工況下縱斷面 L0/R=0.4流速度分布與效率圖

圖7 不同流量工況下橫斷面H0/H=0.5流線與速度分布圖

圖8 不同流量工況下橫斷面H0/H=1流線與流速分布圖

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)數(shù)值模擬分析可得，一體化泵站在過(guò)小流量工況下，入水口流速平緩，內(nèi)部流線上下擴(kuò)散嚴(yán)重，多處出現(xiàn)漩渦，水泵運(yùn)行效率偏低，隨流量增加，兩水泵效率偏差增大。設(shè)計(jì)流量工況下，池底部左右兩側(cè)的流線及流速分布較為對(duì)稱，水泵運(yùn)行效率較高，偏差不大。過(guò)大流量工況下，水泵效率下降快，流線向管道Ⅰ偏流，影響兩水泵平穩(wěn)運(yùn)行，行近流速均勻度偏低。

(2)由不同特征工況下的一體化泵站內(nèi)部特性分析可知，一體化泵站不宜流量過(guò)大或者過(guò)小，否則會(huì)對(duì)一體化泵站高效與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。