箱涵式雙層流道后壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

趙振江，石 磊，蔣紅櫻，成 立，張聰聰，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，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.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州225009）

在我國平原地區(qū)的很多泵站建設(shè)中，經(jīng)常需要同時(shí)滿足排澇和灌溉的過程，這時(shí)就需要泵站能夠雙向運(yùn)行。雙層流道泵站由于結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小、工程投資少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國排澇灌溉領(lǐng)域中。在雙層流道的工程應(yīng)用中，雙向運(yùn)行機(jī)組和單向運(yùn)行機(jī)組總是同時(shí)出現(xiàn)，目前對于雙向運(yùn)行機(jī)組的研究較多［1-4］。張仁田［5］將優(yōu)化參數(shù)與水泵裝置的外特性進(jìn)行對比，得出水泵進(jìn)口（進(jìn)水流道出口）流速不均勻度及水泵入口角與裝置效率之間的關(guān)系；張鵬等［6］研究了喇叭口高度對雙向流道泵裝置得影響，研究表明優(yōu)化后的泵裝置在不同工況下均可以穩(wěn)定運(yùn)行，最高裝置效率可達(dá)76%；杜玲等［7］根據(jù)雙向泵站進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)要求，對泵站進(jìn)水流道水力的優(yōu)化流程進(jìn)行了分析探討，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M。以上研究對象均為雙向運(yùn)行機(jī)組，對于單向運(yùn)行機(jī)組的研究較少［8-11］。本文研究著眼于采用雙層流道的單向運(yùn)行機(jī)組，單向運(yùn)行機(jī)組的進(jìn)出水流道后壁通常設(shè)置為方形，由于水力設(shè)計(jì)理論不成熟，導(dǎo)致水力性能普遍較低，運(yùn)行穩(wěn)定性普遍較差。因此，對單向進(jìn)出水流道后壁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證其安全運(yùn)行具有重要的學(xué)術(shù)意義與工程價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)了3 種進(jìn)出水流道后壁形狀，組合方案6 種，利用CFD 技術(shù)對流道內(nèi)部流場進(jìn)行定常計(jì)算，通過研究分析進(jìn)出水流道后壁對流道內(nèi)部流態(tài)、壓力、進(jìn)出口流速均勻度以及進(jìn)出口水流平均偏流角的影響選擇最優(yōu)組合。本研究可以為同類箱涵式進(jìn)出水流道的水力設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 物理模型及計(jì)算方法

1.1 雙層流道泵站參數(shù)

某新建泵站采用箱涵式雙層流道，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，單向運(yùn)行，主水泵葉輪直徑1 600 mm，轉(zhuǎn)速245 r/min，設(shè)計(jì)排澇流量為29.09 m3/s，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為7.3 m3/s，總裝機(jī)容量2 000 kW。流道底板高程為6.8 m，在設(shè)計(jì)排澇工況下，內(nèi)河側(cè)水位為14.0 m，外河側(cè)水位為16.9 m。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，機(jī)組站身結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單向運(yùn)行機(jī)組站身結(jié)構(gòu)示意圖（高程單位：m）Fig.1 Diagram of unit station structure of one-way operation

表1 工程設(shè)計(jì)參數(shù)表 mTab.1 Engineering design parameter

1.2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算區(qū)域

本文初步采用RNGk-? 模型和Realizablek-? 模型對原方案模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過對兩種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行收斂性、相容性和穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)RNGk-? 湍流模型對該雙層流道模型適用性更好，故最終選用RNGk-?模型作為數(shù)學(xué)模型。

箱涵式雙層流道的計(jì)算區(qū)域由引水渠、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道、外河6 個(gè)部分組成，如圖2（a）所示。選取兩個(gè)斷面用于計(jì)算比較流速均勻度與加權(quán)平均角，斷面1-1 為葉輪進(jìn)口斷面，斷面2-2 位于出水流道，距離葉輪中心線3 m 處，此時(shí)出水趨于均勻，如圖2（b）所示。本文研究的后壁結(jié)構(gòu)有3 種，分別是方形、圓形和ω 形，其中圓形的直徑與進(jìn)出水流道寬度相同，ω形的型線圖如圖2（c）所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域及示意圖Fig.2 Calculation area and schematic diagram

1.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

邊界條件主要包括5 個(gè)部分：①進(jìn)口：進(jìn)口為引渠進(jìn)水?dāng)嗝妫O(shè)置流量進(jìn)口，流量為7.3 m3/s；②出口：出口為外河出水?dāng)嗝?，采用靜壓出口，壓力值為1 atm；③固體邊壁：計(jì)算區(qū)域的邊壁及底部等設(shè)置為wall，采用無滑移的壁面進(jìn)行處理；④自由水面：忽略水面和空氣的熱交換，計(jì)算區(qū)域自由水面設(shè)為對稱邊界條件；⑤交界面：本模型的交界面有3個(gè)，分別是進(jìn)水流道-葉輪、葉輪-導(dǎo)葉、導(dǎo)葉-出水流道，其中葉輪設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為245 r/min。計(jì)算步數(shù)為1 000步，收斂精度為10-4。

采用分塊網(wǎng)格劃分的方式，分為進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道4 個(gè)部分，網(wǎng)格劃分如圖3所示，由于葉輪和導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對水流流態(tài)影響較大，網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格大小應(yīng)小一點(diǎn)，本研究葉輪和導(dǎo)葉的網(wǎng)格大小為0.025 m，進(jìn)出水流道的網(wǎng)格大小為0.25 m，網(wǎng)格數(shù)量分別為494 318、682 354、3 054 924、747 589，網(wǎng)格總數(shù)約為498 萬個(gè)。

2 研究方案

為了分析雙層流道后壁結(jié)構(gòu)對進(jìn)出水流道流態(tài)的影響，對3 種后壁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，分別是方形、圓形、ω 形，后壁結(jié)構(gòu)示意圖見表2。進(jìn)出水流道后壁結(jié)構(gòu)的不同形式會(huì)對水流流態(tài)造成不同的影響，因此設(shè)計(jì)了如表3所示的6種方案。

表2 后壁結(jié)構(gòu)示意圖Tab.2 Rear Wall Structural Diagram

表3 研究方案Tab.3 Research Programs

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 進(jìn)出水流道內(nèi)部流態(tài)分析

圖4為進(jìn)水流道和出水流道水平截面流線圖及靜壓云圖，其中進(jìn)水流道的水平截面選取的近進(jìn)水流道底部（距底板0.4 m），出水流道的水平截面是近出水流道頂部（距頂板0.2 m）。

通過對比圖4（a）～（f）可知，將方形后壁變?yōu)閳A形或ω形，進(jìn)水喇叭口至后壁的空間變小，由此會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水導(dǎo)水錐左側(cè)壓力變大，且ω 形后壁的影響更顯著；但是由于圓形后壁的邊緣比較光滑，所以進(jìn)水導(dǎo)水錐右側(cè)水流回轉(zhuǎn)比較順暢，由于圓形后壁中間部分水流較少，因此ω形后壁得以衍生。

由圖4（g）～（m）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)葉對速度環(huán)量回收不完全，所以出水流道內(nèi)水流紊亂，導(dǎo)水錐兩側(cè)壓力不均，水流不對稱。通過對比方案2 和方案1 可以看出，出水流道后壁設(shè)置為圓形可以明顯改善出水流道的流態(tài)。方案3和方案2 都是一方一圓的組合，對流態(tài)改善效果相似，方案2 出水流道的低壓區(qū)更小。方案4 在保留進(jìn)水流道后壁圓形的基礎(chǔ)上，將出水流道后壁設(shè)置為圓形，可以看出高壓區(qū)偏移的情況沒有得到改善，反而右上方出現(xiàn)了低壓區(qū)。方案5 和方案6 的進(jìn)水流道改為ω形，方案5的進(jìn)水流道后壁為圓形，可以看出，與方案3相比，方案4 的靜壓分布更加對稱；方案6 的出水流道后壁也為ω 形，但出水導(dǎo)水錐左上方高壓區(qū)得到了擴(kuò)散?？傮w來說將進(jìn)水流道和出水流道后壁改成圓形或ω 形均可以改善流態(tài)，靜壓分布有一些不同，可以進(jìn)一步定量分析，比較各個(gè)方案之間的差異，從而確定最優(yōu)組合。

圖4 進(jìn)出水流道截面壓力、流線圖Fig.4 Section pressure and streamline diagram of inlet and outlet passage

3.2 進(jìn)水流道水力性能分析

選取葉輪進(jìn)口斷面1-1 和出水?dāng)嗝?-2 為定量分析的計(jì)算斷面［如圖2（b）所示］。通常采用軸向流速分布均勻度Vu以及加權(quán)平均角來反映進(jìn)水流道的優(yōu)劣［12，13］。軸向流速分布均勻度Vu以及加權(quán)平均角計(jì)算公式如下：

式中：uti為斷面各單元橫向速度；uai為斷面各單元軸向速度；m為斷面網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)。

通常，軸向流速分布均勻度Vu越接近100%，加權(quán)平均角-θ越接近90°時(shí)，水泵入流條件越好。通過計(jì)算可知，在設(shè)計(jì)流量工況下，當(dāng)改變進(jìn)水流道后壁形狀時(shí)，葉輪進(jìn)口的流速均勻度變化不大，但是對出水流道影響較大，除方案1 和方案4 外出水流道流速均勻度均有明顯改善且相差不大；加權(quán)平均角的變化趨勢與流速均勻度具有一致性。通過計(jì)算數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)，方案2、3、5、6 對流速均勻度和加權(quán)平均角的改善效果比較接近，單純從數(shù)據(jù)最優(yōu)來看，方案5（進(jìn)水流道為ω 形出水流道為圓形）的優(yōu)化效果更好，出水?dāng)嗝媪魉倬鶆蚨忍岣?5.4%，進(jìn)口斷面加權(quán)平均角提高0.3°，出水?dāng)嗝婕訖?quán)平均角提高10.2°。但若考慮施工難度及工程成本，方案2（進(jìn)水流道為方形出水流道為圓形）也不失為一種經(jīng)濟(jì)簡單的好方案。

圖5 各方案流速分布均勻度及加權(quán)平均角比較Fig.5 Comparison of velocity distribution uniformity and weighted average angle of each scheme

4 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，方形后壁的進(jìn)水流道流態(tài)較好，但是出水流道的流態(tài)比較紊亂，出水流道段斷面流速均勻度較差，加權(quán)平均角較低，在工程實(shí)踐中不推薦使用雙方形后壁。

（2）斷面加權(quán)平均角和流速均勻度的變化趨勢一致，改變進(jìn)水流道的后壁形狀對葉輪進(jìn)口斷面流速均勻度和加權(quán)平均角影響不大，但是對出水流道的流態(tài)影響較大。

（3）進(jìn)水流道后壁形狀為ω 形，出水流道后壁形狀為圓形時(shí)，進(jìn)出水流道的流態(tài)得到了明顯的改善，流速均勻度和加權(quán)平均角數(shù)值結(jié)果最優(yōu)；若考慮施工問題，也可以只將出水流道后壁形狀改為圓形。