大寨河閘站立式雙向流道軸流泵裝置CFD分析

趙振江， 石 磊， 蔣紅櫻， 湯方平， 卜 舸

(1.泗洪縣水利局， 江蘇 宿遷 223900； 2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司， 江蘇 南京 210029；3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 4.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225009)

水泵站作為我國水利設(shè)施的重要組成部分，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷加快，針對(duì)我國水資源分布時(shí)空不均以及旱澇災(zāi)害頻繁等特點(diǎn)，水泵站在跨區(qū)域調(diào)水、防洪排澇以及改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為現(xiàn)代化建設(shè)做出巨大的貢獻(xiàn)[1-2]。

由于江蘇地處于長江和淮河流域，降雨時(shí)空分布不均、旱澇交替發(fā)生，為保障農(nóng)業(yè)生活生產(chǎn)，抵抗洪澇災(zāi)害以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展在江蘇境內(nèi)分布著眾多灌排泵站[3-5]。這些泵站具有揚(yáng)程低、流量大以及年利用小時(shí)數(shù)高等特點(diǎn)，所以多采用軸流泵站型式。箱涵式雙向流道泵站是我國一種新型排灌結(jié)合的泵站型式。雙向流道泵站具有雙向抽水功能，既能滿足灌溉需要也能滿足排澇需求。

目前雙向流道軸流泵站在江蘇境內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，本文針對(duì)江蘇境內(nèi)大寨河大型立式雙向流道軸流泵站開展內(nèi)流及外特性分析，旨在為類似泵站工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

大寨河閘站工程位于新濉河右堤、大寨河入新濉河口門處，其主要功能是汛期向外河排澇，平時(shí)向內(nèi)河引水用于改善城區(qū)水環(huán)境，因此需雙向引排。大寨河閘站工程選用 4 臺(tái)立式軸流泵機(jī)組，配500 kW立式異步電機(jī) 4 臺(tái)套，主水泵葉輪直徑1 600 mm，轉(zhuǎn)速245 rpm，泵站引水工況設(shè)計(jì)流量為7.3 m3/s，泵站排澇工況設(shè)計(jì)流量為29.1 m3/s，總裝機(jī)容量2 000 kW。泵站的特征水位、特征揚(yáng)程及規(guī)劃設(shè)計(jì)流量見表1。

表1 大寨河閘站工程設(shè)計(jì)參數(shù)

大寨河泵站采用“ X”型雙層箱涵式進(jìn)出水流道，其中1#、2#機(jī)組為雙向運(yùn)行，3#、4#機(jī)組為單向運(yùn)行，機(jī)組采用快速閘門斷流方式。1#、2#機(jī)組站身結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 數(shù)值模擬基本理論

泵葉輪內(nèi)部流動(dòng)是三維非定常紊流流動(dòng)，但是在水泵穩(wěn)定運(yùn)行(轉(zhuǎn)速恒定)后可認(rèn)為葉輪相對(duì)運(yùn)行是定常流動(dòng)。控制方程的離散采用基于有限元的有限體積法。擴(kuò)散項(xiàng)和壓力梯度采用有限元函數(shù)表示，對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格式(High Resolution Scheme)。流場(chǎng)的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法，將動(dòng)量方程和連續(xù)性方程耦合求解，克服了傳統(tǒng)SIMPLE系列算法需要“假設(shè)壓力項(xiàng)—求解—修正壓力項(xiàng)”的反復(fù)迭代過程，同時(shí)引入代數(shù)多重網(wǎng)格技術(shù)，提高了求解的穩(wěn)定性和計(jì)算速度。

3 計(jì)算模型及數(shù)值模擬

3.1 三維建模及控制參數(shù)

大閘河閘站泵站機(jī)組采用立式軸流泵型式，水泵型號(hào)為1600ZLBK7.3-3.1，葉輪直徑1.60 m，轉(zhuǎn)速245 r/min，單機(jī)流量7.3 m3/s，配套電機(jī)500 kW。進(jìn)、出水流道為雙層箱涵式雙向流道，其中，進(jìn)水流道進(jìn)口與出水流道出口尺寸一致，為5 000 mm×2 400 mm(寬×高)；進(jìn)水喇叭口直徑為2 480 mm，進(jìn)水喇叭口懸空高為1 230 mm；出水喇叭口直徑為2 760 mm，出水喇叭口距出水流道頂板距離為600 mm。雙向機(jī)組1#和2#之間設(shè)置隔墩分隔，隔墩厚1 000 mm。

根據(jù)大寨河閘站的水位資料以及站身平、剖面圖，建立進(jìn)、出水流道的三維實(shí)體模型，其中計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水延伸段、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道、出水延伸段6個(gè)部分，大寨河閘站雙向流道機(jī)組泵裝置計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

3.2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

泵裝置內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為水體，假設(shè)水體為三維不可壓縮流體，其流動(dòng)為三維非定常黏性流動(dòng)，采用雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程描述其流動(dòng)規(guī)律[6-7]。為了解決N-S方程平均化過程中方程不封閉問題，引入湍流模型來簡(jiǎn)化計(jì)算、封閉方程是必要的。本文湍流模型采用SST k-ω模型，因?yàn)榛赟ST模型的k-ω方程考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳輸，可以精確地預(yù)測(cè)流動(dòng)的開始和負(fù)壓力梯度條件下流體的分離量[8-9]。同時(shí)，SST模型的最大優(yōu)點(diǎn)就在于考慮了湍流剪切應(yīng)力，從而不會(huì)對(duì)渦流黏度造成過度預(yù)測(cè)。

圖1 大寨河閘站1#、2#機(jī)組(雙向)站身結(jié)構(gòu)示意圖

注：1.進(jìn)水延伸段 2.進(jìn)水流道 3.葉輪與導(dǎo)葉 4.出水流道 5.出水延伸段 6.導(dǎo)水錐 7.喇叭管圖2 大寨河閘站雙向流道泵裝置計(jì)算區(qū)域示意圖

由于泵裝置內(nèi)部包含旋轉(zhuǎn)的葉輪以及靜止的導(dǎo)葉和進(jìn)出水流道，所以為了保證交界面的連續(xù)性，針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪與進(jìn)水流道以及導(dǎo)葉的交接面采用多參考系模型處理動(dòng)靜交界面進(jìn)行處理，其他界面均設(shè)置為靜止壁面，采用無滑移邊界條件，在近壁區(qū)采用壁面函數(shù)。

為了更好地模擬泵裝置內(nèi)部流動(dòng)，在進(jìn)水流道進(jìn)口前加設(shè)一段延長段，以進(jìn)水延長段進(jìn)口作為整體計(jì)算域進(jìn)口，采用總壓進(jìn)口條件，總壓設(shè)置為1 atm。同樣地，在出水流道出水后加設(shè)一段延長段，以出水延長段出口作為整體計(jì)算域的出口，出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量出流，給定出口邊界上的體積流量為設(shè)計(jì)流量Qd=7.3 m3/s。

3.3 網(wǎng)格剖分

采用ANSYS ICEM軟件對(duì)進(jìn)水流道、出水流道進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用ANSYS TurboGrid軟件對(duì)葉輪和導(dǎo)葉體進(jìn)行網(wǎng)格剖分。由于進(jìn)出水流道內(nèi)部存在不規(guī)則的喇叭管和導(dǎo)水錐，所以進(jìn)出水流道內(nèi)網(wǎng)格為混合網(wǎng)格，葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。最終，整體計(jì)算域網(wǎng)格為453萬。大寨河閘站泵裝置計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖3所示。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 大寨河閘站泵裝置進(jìn)水流道泵裝置內(nèi)流場(chǎng)分析

圖3 大寨河閘站雙向流道泵裝置計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意圖

(1)

(2)

式中：uti為斷面各單元橫向速度；uai為斷面各單元軸向速度。

圖4 大寨河閘站雙向流道泵裝置進(jìn)水流道縱剖面流線及靜壓云圖

圖4為大寨河閘站雙向流道泵裝置進(jìn)水流道縱剖面流線及靜壓云圖。由圖可知，進(jìn)水流道進(jìn)口端流線較為平順，縱剖面靜壓變化較為均勻。由于進(jìn)水流道沿水流方向末端為封閉端，同時(shí)末端水流受到水泵吸水作用，所以進(jìn)水流道末端存在較大的回流區(qū)。

4.2 大寨河閘站泵裝置出水流道泵裝置內(nèi)流場(chǎng)分析

圖5為大寨河閘站雙向流道泵裝置出水流道縱剖面流線及靜壓云圖，圖6為大寨河閘站雙向流道泵裝置出水流道水平剖面(距頂板0.25 m)流線及靜壓云圖。由圖5、圖6可知，水流經(jīng)出水喇叭管后受到出水流道導(dǎo)水錐分流作用分別向出水流道兩端流動(dòng)。由于導(dǎo)葉對(duì)速度環(huán)量回收不完全，所以出水流道內(nèi)水較紊亂，導(dǎo)水錐兩側(cè)均存在回流。從靜壓云圖上看，除導(dǎo)水錐頭部存在低壓區(qū)外，出水流道內(nèi)整體靜壓分布較均勻。

4.3 大寨河閘站泵裝置水力特性

圖7為大寨河閘站雙向流道泵裝置內(nèi)部流線圖。由圖可知，泵裝置內(nèi)部整體流態(tài)良好，不良流態(tài)主要存在于進(jìn)出水流道的封閉端。由于進(jìn)水流道喇叭管正下方設(shè)置導(dǎo)水錐，所以進(jìn)水流道內(nèi)水流受到導(dǎo)水錐整流作用明顯，入泵水流流態(tài)較好。出水流道內(nèi)出口端水流呈螺旋狀，主要由于速度剩余環(huán)量的影響，但是出水流道出口端長度較長，所以對(duì)水流由很好整流作用。相較出口端水流流態(tài)，出水流道封閉端流態(tài)較紊亂。

圖5 大寨河閘站雙向流道泵裝置出水流道縱剖面流線及靜壓云圖

圖6 大寨河閘站雙向流道泵裝置出水流道水平剖面(距頂板0.25 m)流線及靜壓云圖

圖7 大寨河閘站雙向流道泵裝置內(nèi)部流線圖

圖8為大寨河閘站雙向流道泵裝置性能曲線圖。由圖可知，大寨河閘站雙向流道泵裝置整體效率較優(yōu)，葉片角度為0°時(shí)，設(shè)計(jì)流量(Qd=7.3 m3/s)工況下，泵裝置效率為73.5%，裝置揚(yáng)程為3.75 m。

圖8 大寨河閘站雙向流道泵裝置性能曲線圖

4 結(jié) 語

(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，大寨河閘站進(jìn)水流道水力性能較優(yōu)，水泵入流條件較好；出水流道內(nèi)水流流態(tài)受到速度環(huán)量影響，呈螺旋狀；進(jìn)出水流道內(nèi)流態(tài)整體較好，在流道封閉端流態(tài)稍紊亂。

(2)大寨河閘站雙向流道泵裝置性能較優(yōu)，葉片角度為0°時(shí)，設(shè)計(jì)流量工況下，泵裝置效率為73.5%，裝置揚(yáng)程為3.75 m，滿足泵站設(shè)計(jì)要求。