臥式泵站直管式出水流道型線變化水力性能數(shù)值模擬

顏紅勤，蔣紅櫻，周春峰，成 立，湯 雷

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029；2.江蘇省南京市水務(wù)局設(shè)施管理中心，南京 210029；3.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

出水流道是連接水泵導(dǎo)葉出口與出水池的銜接通道，其作用是為了水流在從水泵導(dǎo)葉出口流入出水池的過(guò)程中更好地轉(zhuǎn)向和擴(kuò)散，在不發(fā)生脫流或漩渦的條件下最大限度地回收動(dòng)能[1]。直管式出水流道由于斷面形狀簡(jiǎn)單，施工方便，水力損失小等優(yōu)點(diǎn)，在揚(yáng)程較低的大、中型泵站中被廣泛應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)出水流道進(jìn)行了廣泛研究，研究主要內(nèi)容有：直管式出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究[2]；泵站出水流道模型水力損失的測(cè)試[3]；直管式出水流道模型試驗(yàn)研究[4]；貫流泵裝置及進(jìn)出水流道數(shù)值模擬分析[5]；水泵轉(zhuǎn)速變化對(duì)出水流道水力損失的影響[6]；泵站進(jìn)出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)研究[7]等。水流經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)通過(guò)導(dǎo)葉回收部分環(huán)量，但仍有一部分環(huán)量未完全消除，并對(duì)出水流道的水力性能產(chǎn)生影響。前人對(duì)直管式出水流道型線演變研究較少，因此，本文對(duì)臥式泵站直管式出水流道進(jìn)行數(shù)值模擬，采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技術(shù)，探討出水流道在有剩余環(huán)量情況下，改變直管式出水流道型線對(duì)其流道內(nèi)水力損失及特征斷面水力性能的影響，研究成果為出水流道的水力設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某單向臥式引水泵站，設(shè)計(jì)引水流量100 m3/s，設(shè)有3臺(tái)機(jī)組，葉輪直徑3 300 mm，葉片數(shù)為3片，葉片角度為0°，導(dǎo)葉數(shù)為5片，葉輪轉(zhuǎn)速為131.82 r/min。每臺(tái)泵設(shè)計(jì)流量33.3 m3/s，配套電機(jī)功率1 600 kW,總裝機(jī)4 800 kW；出水流道采用直管形式，總長(zhǎng)17.6 m。

某單向引水泵站運(yùn)行特征水位見表1。

表1 某單向引水泵站運(yùn)行特征水位 m

2 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算

2.1 三維建模及控制參數(shù)

該單向臥式引水泵站采用直管式出水流道，葉輪直徑為3 300 mm，單機(jī)設(shè)計(jì)流量33.3 m3/s，出水流道出口尺寸8 000 mm×6 006 mm(寬×高)。選取5個(gè)斷面為漸變段結(jié)束位置。

計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水延伸段、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道、出水延伸段5部分，其實(shí)體造型圖如圖1所示。

圖1 貫流泵出水流道實(shí)體造型圖

2.2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

本文基于大型商用軟件ANASYS CFX數(shù)值計(jì)算，基于不可壓縮流體的連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程，忽略熱交換，湍流模型采用RNGk-ε模型，采用有限體積法求解，計(jì)算格式為高階迎風(fēng)，收斂精度為10-4。將進(jìn)水延伸段進(jìn)口作為整個(gè)計(jì)算域的進(jìn)口，進(jìn)口邊界條件采用質(zhì)量流，將出水延伸段出口作為整個(gè)計(jì)算域的出口，出口邊界條件設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；在固體邊壁處規(guī)定無(wú)滑移條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理，動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Frozen Stator)模型，以保證交界面的連續(xù)性。

2.3 網(wǎng)格剖分

各計(jì)算部件在UG中進(jìn)行參數(shù)化建模，然后導(dǎo)入Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)計(jì)算域y+值在30～500之間[8]，葉輪網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為80.27 萬(wàn)個(gè)，導(dǎo)葉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為106.98 萬(wàn)個(gè)，出水流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為20.39 萬(wàn)個(gè)，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算，當(dāng)總體網(wǎng)格數(shù)達(dá)到232 萬(wàn)個(gè)時(shí)，泵裝置揚(yáng)程和葉片扭矩波動(dòng)值均小于1%，滿足計(jì)算要求。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

3 研究方案設(shè)計(jì)

根據(jù)初步分析，影響直管式出水流道水力性能的主要參數(shù)有：漸變段長(zhǎng)度L1，出水流道總長(zhǎng)度L，出水出口斷面寬度B，出口斷面高度H等。因此設(shè)計(jì)13種典型出水流道進(jìn)行對(duì)比分析，方案1～5的出水流道斷面形狀由圓變方，斷面寬度在平面和立面方向均逐漸擴(kuò)大；方案6～9在平面方向上斷面寬度先擴(kuò)大后保持不變，保證漸變段之后的流道寬度與出口斷面寬度保持一致，而在立面方向的斷面均勻擴(kuò)大；方案10～13出水流道在平面與立面方向斷面形狀均先擴(kuò)散后保持不變。各方案出水流道的尺寸見表2。

圖3 出水流道研究方案設(shè)計(jì)參數(shù)圖

表2 直管式出水流道設(shè)計(jì)參數(shù)表

4 結(jié)果與分析

4.1 出水流道內(nèi)部流動(dòng)特性分析

圖4為方案1～13在設(shè)計(jì)流量(Q設(shè)=33.3 m3/s)工況下的出水流道內(nèi)部流動(dòng)特性，圖5及圖6分別為方案5在Q=0.75Q設(shè)(Q=24.975 m3/s)的小流量工況與Q=1.25Q設(shè)(Q=41.625 m3/s)的大流量工況下的出水流道內(nèi)部流動(dòng)特性。取各方案出水流道三維流線圖及4個(gè)特征斷面流速云圖。

圖4 出水流道三維流線圖及速度云圖方案(設(shè)計(jì)流量工況，方案1～13)

水流在葉輪旋轉(zhuǎn)加速作用下具有一定的環(huán)量，水流流出葉輪進(jìn)入導(dǎo)葉，導(dǎo)葉對(duì)環(huán)量具有一定的回收作用，但是導(dǎo)葉還不能完全回收環(huán)量，導(dǎo)致流道內(nèi)水流呈螺旋狀。由方案1～5可看出，在設(shè)計(jì)流量工況下，當(dāng)漸變段較短時(shí)，水流來(lái)不及重新分布，導(dǎo)致出水流道中間斷面水流流速分布不均勻，表現(xiàn)為一側(cè)速度大，而另一側(cè)速度略小一些，且靠近流道進(jìn)口處流態(tài)紊亂，隨著漸變段長(zhǎng)度的增加，流態(tài)分布愈均勻，且斷面流速分布明顯改善。對(duì)比方案6～9可知，改變平面方向?qū)挾葧r(shí)，流道內(nèi)低速區(qū)有前移趨勢(shì)，且流道內(nèi)部存在脫流，隨著漸變段長(zhǎng)度增加，流態(tài)改善明顯；而對(duì)比方案10～13可知，漸變段長(zhǎng)度較短時(shí)，流道內(nèi)存在大面積脫流，靠近流道進(jìn)口處斷面上低速區(qū)范圍變大，流速分布非常不均勻。其中，方案5最好。對(duì)比圖4、圖5和圖6中方案5的出水流道三維流線圖與特征斷面流速云圖可知，在3種不同流量工況下，出水流道內(nèi)流態(tài)均平順?lè)€(wěn)定，流速分布均勻。

圖5 出水流道三維流線圖及速度云圖(小流量工況，方案5)

圖6 出水流道三維流線圖及速度云圖(大流量工況，方案5)

4.2 出水流道各斷面水力指標(biāo)評(píng)判

為了分析直管式出水流道斷面流態(tài)，引入出水流道壓力恢復(fù)系數(shù)ζ反映出水流道對(duì)壓能的回收情況并計(jì)算各方案下出水流道水力損失，各計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：ζ為出水流道壓力恢復(fù)系數(shù)；E壓為出水流道出口壓能，m；E進(jìn)為出水流道進(jìn)口壓能，m；hf為水力損失；P為出水流道進(jìn)口斷面1-1與出水流道出口斷面2-2的總壓之差；ρ為流體密度；g為重力加速度。

計(jì)算了各方案下貫流泵出水流道水力損失以及出口斷面壓力恢復(fù)系數(shù),計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在設(shè)計(jì)流量工況下，各方案出水流道隨著漸變段長(zhǎng)度增加，水力損失逐漸減小，而出水流道壓力恢復(fù)系數(shù)隨漸變段長(zhǎng)度的增加而增大，出水流道回收動(dòng)能的能力越強(qiáng)，均達(dá)到97%以上；當(dāng)不同形式下的漸變段處于同一位置時(shí)，越靠近進(jìn)口處，出水流道水力損失相差越大，最大相差約16.95 cm，壓力恢復(fù)系數(shù)相差約1.5%，其中方案5水力損失最小為9.26 cm，且流道壓力恢復(fù)系數(shù)達(dá)到最高為98.81%。

圖7 出水流道計(jì)算結(jié)果圖(設(shè)計(jì)流量工況，方案1～13)

如圖8所示，計(jì)算了方案5在3種流量工況下的水力損失以及出口斷面壓力恢復(fù)系數(shù)。隨著流量的增加，出水流道水力損失逐漸增大，而出口斷面壓力恢復(fù)系數(shù)逐漸減小。

5 結(jié) 論

(1)出水流道當(dāng)斷面形狀設(shè)計(jì)為圓變方，在平面方向和立面方向均逐漸擴(kuò)大的形式時(shí)，流道內(nèi)流態(tài)最好；將出水流道斷面在平面方向設(shè)計(jì)為先擴(kuò)散后平直，而在立面方向均勻擴(kuò)大的形式時(shí)，流態(tài)較好，而將斷面在立面與平面方向均設(shè)計(jì)成先擴(kuò)散后平直時(shí)，出水流道流態(tài)最差。

(2)同一形式下的出水流道隨著漸變段長(zhǎng)度的增加，水力損失減小，流道壓力恢復(fù)系數(shù)增大，且流道內(nèi)水流流態(tài)得到明顯改善。

圖8 出水流道計(jì)算結(jié)果圖(3種流量工況，方案5)

(3)在3種不同流量工況下，方案5出水流道內(nèi)的流態(tài)都平順?lè)€(wěn)定，流速分布均勻。

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