基于FLUENT的泵站進(jìn)水管路水力特性研究

高余鑫，高傳昌，孫龍?jiān)?/p>

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

泵站進(jìn)水管路是將進(jìn)水池中的水流平順地引向水泵進(jìn)口，進(jìn)水管路布設(shè)不合理，不僅會(huì)產(chǎn)生不良的水流流態(tài)，而且會(huì)造成較大的能量損失，影響水泵的正常、安全工作，嚴(yán)重時(shí)甚至引起水泵汽蝕，機(jī)組振動(dòng)而無(wú)法工作。正確設(shè)計(jì)和布置泵站進(jìn)水管路是保證進(jìn)水管路中水流平穩(wěn)和水泵進(jìn)水流態(tài)良好的重要工作之一。

針對(duì)泵站的水力特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其中：史志鵬結(jié)合泵站設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行了以節(jié)能為目標(biāo)的泵站進(jìn)水池體形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過(guò)數(shù)值模擬方法確定泵站進(jìn)水池的有效尺寸。郁片紅針對(duì)張華浜泵站流道存在回流、漩渦等不良流態(tài)的問(wèn)題，采用CFD軟件分析了前池水流流態(tài)提出優(yōu)化泵站進(jìn)水流道整流方案。車曉紅基于CFX軟件對(duì)進(jìn)、出水流道內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，提出了所選泵站流道的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。趙智磊通過(guò)對(duì)泵站進(jìn)水河道中心線和泵站進(jìn)水池中心軸線的不同夾角方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得到整體河道流態(tài)和壓力前池流態(tài)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。謝華通過(guò)流道水力損失、出口斷面的流速均勻度和加權(quán)平均角等參數(shù)的比選，得到肘形進(jìn)水流道最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。仇春光結(jié)合實(shí)際工程研究了吸水管后壁距對(duì)改善進(jìn)水池流態(tài)、減小水頭損失的效果，研究結(jié)果表明：縮小后壁距能改善進(jìn)水池的水流條件。王梅仙等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)泵站進(jìn)出水池體形的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系到泵站裝置效率的提高。陸林廣等采用數(shù)值模擬方法，對(duì)大型泵站不同形式進(jìn)、出水流道水力性能進(jìn)行對(duì)比研究，得到流道的優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的相關(guān)準(zhǔn)則。由此可見，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)泵站進(jìn)出水池、進(jìn)出水流道的水流流態(tài)、整流措施和體形水力優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，但對(duì)于泵站進(jìn)水管路的水力特性研究甚少。因此，根據(jù)黃河下游某一提水灌溉泵站進(jìn)水管路布置不合理進(jìn)行技術(shù)改造和優(yōu)化，選取優(yōu)化前后兩種進(jìn)水管路裝置進(jìn)行水力特性的數(shù)值計(jì)算。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 模型參數(shù)及幾何建模

選擇黃河下游某一提水灌溉泵站的進(jìn)水管路，用Pointwise軟件進(jìn)行原型實(shí)體建模。由于進(jìn)水管路布置的不合理，尤其當(dāng)泵站機(jī)組單泵運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水管路中的流態(tài)惡化程度最明顯，所以文章選擇優(yōu)化前、后進(jìn)水管路單泵機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算區(qū)域示意圖見圖1。

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

為了避免計(jì)算結(jié)果失真，文章借助Pointwise軟件對(duì)原型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格全部為六面體的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，同時(shí)還對(duì)流動(dòng)影響較大近壁處網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。為了使網(wǎng)格數(shù)目對(duì)計(jì)算結(jié)果不產(chǎn)生影響，進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)目的無(wú)關(guān)性分析，得到最終網(wǎng)格數(shù)目為946萬(wàn)。

計(jì)算采用定常的Standardk-ε模型，算法采用SIMPLEC算法，進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口條件，出口設(shè)置為壓力出口條件，計(jì)算區(qū)域的固壁均設(shè)置為壁面邊界條件，由于前池和進(jìn)水池的水面很平穩(wěn)，故也將自由水面設(shè)置為壁面邊界條件，壁面均采取適應(yīng)性更強(qiáng)的可伸縮壁面函數(shù)處理，壁面不可滑動(dòng)。

1.3 計(jì)算方案

計(jì)算選取3種不同水泵流量(最大：0.97 m3/s；設(shè)計(jì)：0.88 m3/s；最?。?.83 m3/s)，對(duì)優(yōu)化前后的進(jìn)水管路3個(gè)斷面A-A～C-C(如圖3所示)的流場(chǎng)分布、進(jìn)水管出口(水泵進(jìn)口)斷面(C-C)的速度分布均勻度、進(jìn)水管路的水力損失和渦量分布及渦量值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。選取斷面示意圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格剖分結(jié)果圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 截面流場(chǎng)分析

運(yùn)用Tecplot軟件，分別就3種水泵流量下的進(jìn)水管路不同斷面流場(chǎng)分布數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，得到圖3～5三個(gè)斷面(A-A～C-C)優(yōu)化前后的速度云圖和流線圖。

圖3 流量0.97 m3/s流場(chǎng)流速云圖和流線圖

圖4 流量0.88 m3/s流場(chǎng)流速云圖和流線圖

圖5 流量0.83 m3/s流場(chǎng)流速云圖和流線圖

如上圖所示，圖中(a)～(c)為進(jìn)水管路優(yōu)化前斷面的流速云圖和流線圖；圖(d)～(f)為進(jìn)水管路優(yōu)化后斷面的流速云圖和流線圖。

由流場(chǎng)斷面的流速云圖和流線圖可以得出：在不同的水泵流量下，優(yōu)化前進(jìn)水管路斷面的平均流速范圍為4.94～2.94 m/s，超出了泵站設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；優(yōu)化后進(jìn)水管路斷面平均流速范圍為1.93～1.65 m/s，優(yōu)化效果明顯并且優(yōu)化后斷面平均流速滿足規(guī)范要求。優(yōu)化前后A-A斷面的流線分布趨勢(shì)基本相同，斷面流速范圍隨著流量的降低而降低。優(yōu)化前B-B截面不產(chǎn)生漩渦；優(yōu)化后該截面在左右邊壁處出現(xiàn)漩渦，分析其原因可能是水流流態(tài)發(fā)展不充分的原因，并且漩渦強(qiáng)度基本不隨流量的變化而改變，漩渦數(shù)量和漩渦強(qiáng)度與水泵流量的關(guān)系不大。優(yōu)化前C-C斷面，漩渦數(shù)量為4，漩渦強(qiáng)度隨著水泵流量的變化而變化，數(shù)量保持不變，流量為0.88 m3/s時(shí)，漩渦強(qiáng)度最小但漩渦最大，流速最大區(qū)域位于中軸附近區(qū)域；優(yōu)化后E-E斷面漩渦消失，流速最大區(qū)域位于左右側(cè)下部邊壁處。

2.2 進(jìn)水管路出口流速分布均勻度分析

為了將進(jìn)水管路優(yōu)化前后對(duì)水流流態(tài)的改善程度定量地表達(dá)出來(lái)，文章選擇進(jìn)水管路出口(水泵進(jìn)口)的流速均勻度作為水力目標(biāo)函數(shù)。流速分布均勻度Vu越高表明出口截面流速分布均勻性越好，Vu=100%為理想值。流速均勻度Vu的計(jì)算，如公式1所示。

(1)

不同流量下，進(jìn)水管路優(yōu)化前后出口的流速分布均勻度，如圖6所示。

圖6 進(jìn)水管路出口流速分布均勻度圖

由圖6可以看出：不同流量下，優(yōu)化前管路出口的流速均勻度分別為88.06%、87.79%、88.19%；優(yōu)化后管路出口的流速均勻度分別為92.80%、92.23%、92.36%；優(yōu)化后出口截面的流速均勻度分別提升了4.74%、4.44%、4.17%，提升效果明顯，出口截面水流流態(tài)更良好。

2.3 進(jìn)水管路水力損失分析

管路進(jìn)出口水力損失越小，表明管路內(nèi)水流流態(tài)更好。管路水力損失Hf由管路進(jìn)出口的位置水頭、壓力水頭和流速水頭的差值計(jì)算而來(lái)。其計(jì)算公式，如公式2所示。

(2)

不同流量下，進(jìn)水管路優(yōu)化前后的水力損失，見圖7。不同流量下，優(yōu)化前進(jìn)水管路水力損失分別為0.21 m、0.23 m、0.28 m；優(yōu)化后進(jìn)水管路水力損失分別為0.04 m、0.05 m、0.06 m；優(yōu)化后使得進(jìn)水管路水力損失分別降低了79.00%、78.40%、79.60%，進(jìn)水管路水力損失顯著降低。

圖7 進(jìn)水管路水力損失圖

2.4 進(jìn)水管路渦量分析

為了能夠定量地將漩渦強(qiáng)度表達(dá)出來(lái)，引入物理量渦量Q，Q被定義為流體運(yùn)動(dòng)速度的旋度，流場(chǎng)中渦旋處渦量的絕對(duì)值最大，正負(fù)與其旋向有關(guān)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)渦量為負(fù)值，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)渦量為正值。渦量的計(jì)算公式見式(3)。

(3)

式中：u、v、w分別為x、y、z方向的速度。

進(jìn)水管路渦量分布

運(yùn)用CFD-Post軟件對(duì)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到進(jìn)水管路渦量分布圖，如圖8所示。

圖8 進(jìn)水管路渦量分布圖

如上圖所示，(a)～(c)為優(yōu)化前進(jìn)水管路渦量分布圖，(d)～(f)為優(yōu)化前進(jìn)水管路渦量分布圖。在不同流量下，優(yōu)化前管路大部分的區(qū)域的渦量值在-3 000 s-2～3 000 s-2范圍內(nèi)，渦量最大區(qū)域位于偏心漸縮管和偏心漸擴(kuò)管截面附近；優(yōu)化后管路大部分的區(qū)域的渦量值在-1 500 s-2～1 500 s-2范圍內(nèi)，渦量最大區(qū)域位于偏心漸擴(kuò)管截面附近；優(yōu)化后進(jìn)水管路渦量值顯著降低。

進(jìn)水管路最大渦量值

通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)的處理，得到進(jìn)水管路的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的最大渦量，如圖9所示。

圖9 進(jìn)水管路最大渦量圖

由圖9可知：在不同流量下，優(yōu)化前最大渦量隨流量的增大基本呈線性上升，優(yōu)化后最大渦量隨流量增大而增加的幅度有所減弱，這說(shuō)明進(jìn)水管路優(yōu)化后能更好地適應(yīng)水流的要求。優(yōu)化后，無(wú)論逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最大渦量降低幅度很大，優(yōu)化效果明顯，進(jìn)水管路水流流態(tài)更加良好。

3 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)某灌溉泵站優(yōu)化前后的進(jìn)水管路水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了在不同流量下，進(jìn)水管路優(yōu)化后的平均流速在1.65～1.93 m/s；進(jìn)水管路水力損失分別降低了79.00%、78.40%、79.60%；進(jìn)水管路的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的最大渦量值顯著降低，渦量分布范圍更小，分布更加均勻；進(jìn)水管路出口(水泵進(jìn)口)截面上流速分布均勻度分別提高了4.74%、4.44%、4.17%。優(yōu)化后的進(jìn)水管路水流流態(tài)平穩(wěn)，進(jìn)水管路出口流速分布均勻，進(jìn)水管路平均流速滿足泵站規(guī)范要求。

通過(guò)去年12月對(duì)前期改造機(jī)組的試運(yùn)行，通過(guò)機(jī)組運(yùn)行得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在輸水流量不變的情況下，每臺(tái)機(jī)組有功功率平均降低35 kW/h，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，投入產(chǎn)出比明顯。