隔墩對(duì)雙向流道泵裝置內(nèi)流及壓力脈動(dòng)影響研究

趙振江，石 磊，蔣紅櫻，成 立，張 帝，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(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州225009）

0 引 言

在沿江濱湖地區(qū)，針對(duì)灌溉排水結(jié)合的雙向抽水需求，建設(shè)了眾多雙向抽水泵站，雙向流道泵站通過(guò)調(diào)節(jié)雙向流道進(jìn)出口閘門實(shí)現(xiàn)雙向引水排水，得到廣泛應(yīng)用［1，2］，眾多學(xué)者對(duì)泵裝置的各項(xiàng)性能展開(kāi)研究［3-5］。

劉超等［6，7］提出新型曲線擴(kuò)散出水結(jié)構(gòu)和進(jìn)水導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)方案，消除雙向流道泵裝置進(jìn)水流道內(nèi)的渦帶；成立等［8，9］通過(guò)RNG 湍流模型對(duì)雙向流道內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行模擬，揭示了雙向流道內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，闡述了采取消渦措施的必要性；Zhu等［10］建立了雙向流道泵裝置模型試驗(yàn)臺(tái)，觀察分析了流道內(nèi)水流特性并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)各種方案進(jìn)行比較，給出了可以有效改善流態(tài)的措施；泵裝置內(nèi)部壓力脈動(dòng)是誘導(dǎo)水力激振的主要原因，近年來(lái)學(xué)者展開(kāi)大量壓力脈動(dòng)及振動(dòng)的研究［11-14］。姚丹等［15］針對(duì)燈泡貫流式機(jī)組壓力脈動(dòng)特性展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜干涉是引起機(jī)組壓力脈動(dòng)的最主要原因；張德勝等［16］對(duì)軸流泵水力模型不同工況壓力脈動(dòng)特性展開(kāi)研究，揭示了軸流泵內(nèi)部不同位置處壓力脈動(dòng)及振動(dòng)規(guī)律；楊帆等［17，18］研究了軸流泵裝置不同葉片安放角下各工況壓力脈動(dòng)變化規(guī)律，并通過(guò)水聽(tīng)器試驗(yàn)分析了流道的內(nèi)流脈動(dòng)與流動(dòng)噪聲的時(shí)頻特性；Duan等［19］對(duì)箱涵式軸流泵裝置內(nèi)部壓力脈動(dòng)與振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)是水力誘發(fā)振動(dòng)的主要原因。

為進(jìn)一步探究雙向流道內(nèi)流及脈動(dòng)特性，本文在泵裝置進(jìn)出水流道中加入隔墩，在不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，對(duì)加入隔墩后特征位置壓力脈動(dòng)及流態(tài)影響作出研究。

1 泵裝置數(shù)值計(jì)算模型及方法

1.1 泵裝置計(jì)算模型

本文以某雙向流道泵站為計(jì)算模型，采用“X”型雙層箱涵式進(jìn)出水流道，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。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D=1 600 mm，轉(zhuǎn)速n=245 r/min，單機(jī)設(shè)計(jì)流量Qd=7.3 m3/s，葉片數(shù)Z=3，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zd=7。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。泵站計(jì)算模型包括進(jìn)出水流道延伸段、進(jìn)出水流道、葉輪及導(dǎo)葉，對(duì)進(jìn)出水流道內(nèi)部設(shè)置厚400 mm的隔墩，計(jì)算模型如圖1。

圖1 雙向流道泵裝置三維模型Fig.1 Three dimensional model of two-way reversible pumping system

1.2 數(shù)值計(jì)算方法及網(wǎng)格劃分

為研究雙向流道泵裝置內(nèi)部流態(tài)及壓力脈動(dòng)特性，基于連續(xù)性方程與Navier-Stokes 方程（N-S 方程），通過(guò)采用ANSYS CFX 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。其中定常與非定常計(jì)算均采用RNGk-ε模型，根據(jù)南水北調(diào)泵站流道計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，該模型可以滿足工程數(shù)值模擬需求。

對(duì)葉輪、導(dǎo)葉、進(jìn)、出水流道及其延伸段分別采用ANSYS TurboGrid 與mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格示意圖如圖2。為確保數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)流量工況對(duì)泵裝置不同網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析確定當(dāng)泵裝置整體網(wǎng)格數(shù)達(dá)到756 萬(wàn)格時(shí)，裝置揚(yáng)程變化微小，網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，確定最終整體計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為756萬(wàn)。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid division diagram

1.3 邊界條件及計(jì)算設(shè)置

計(jì)算區(qū)域包括葉輪、導(dǎo)葉、進(jìn)、出水流道及延伸段。計(jì)算域進(jìn)口采用質(zhì)量流進(jìn)口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，設(shè)置為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進(jìn)出口的自由水面采用鋼蓋假定設(shè)置為對(duì)稱面；葉輪直徑為1 600 mm，將葉輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速為245 r/min，其余部分設(shè)置為靜止域；壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

在定常計(jì)算結(jié)果收斂的基礎(chǔ)上對(duì)雙向流道泵裝置進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算，葉輪與進(jìn)水流道及導(dǎo)葉間交界面選用Transient Rotor Stator；設(shè)置計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為1.469 387 755 s，即6 個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期，時(shí)間步長(zhǎng)選取為葉輪旋轉(zhuǎn)6°所需時(shí)長(zhǎng)，即0.004 08 s。

1.4 數(shù)值計(jì)算有效性驗(yàn)證

為證明上述雙向流道泵裝置數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了雙向流道泵裝置模型試驗(yàn)，水力模型試驗(yàn)采用葉輪模型直徑為300 mm，水泵裝置模型比尺為1∶5.33，與原型根據(jù)等揚(yáng)程進(jìn)行換算，確定模型泵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 307 r/min，如圖3 所示。將試驗(yàn)結(jié)果換算至原型泵裝置性能數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬不同工況結(jié)果進(jìn)行外特性對(duì)比，如圖4，對(duì)比結(jié)果表明，試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的性能曲線整體趨勢(shì)相似，在設(shè)計(jì)工況下吻合度較高，試驗(yàn)與數(shù)模整體擬合性較好，數(shù)值模擬采用的計(jì)算方法及結(jié)果有效。

圖3 模型試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Model test device diagram

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 隔墩對(duì)雙向流道流態(tài)影響分析

為探究隔墩對(duì)雙向流道內(nèi)部流態(tài)影響，在有無(wú)隔墩不同工況下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算：小流量工況0.8Qd、設(shè)計(jì)流量工況1.0Qd、大流量工況1.2Qd。

分別在距進(jìn)、出水流道底板與頂板0.4 m 處設(shè)置水平截面，圖5為各工況下進(jìn)、出水流道所選取截面的速度云圖與流線圖。由圖5可知，在各工況進(jìn)、出水流道盲端均存在水流低速區(qū)。當(dāng)不布置隔墩時(shí)，水流從進(jìn)水流道進(jìn)口進(jìn)入水泵，流速逐漸升高，在設(shè)計(jì)流量與大流量工況下進(jìn)水兩側(cè)流速較低，而中間流速相對(duì)較高，在設(shè)計(jì)流量存在小部分漩渦。出水流道流線較為平順，由于葉輪旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)葉出口依然存在一定剩余環(huán)量，在出水流道盲端流線呈現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，由速度云圖可知，在靠近導(dǎo)葉出口處，水流流速較大且偏向一方，隨著水流逐漸排出，流速逐漸降低。對(duì)雙向流道泵裝置流道內(nèi)增設(shè)隔墩后，整流流線影響不大，在設(shè)計(jì)流量工況盲端，小部分的漩渦被消除，在進(jìn)水流道，入泵前的水流流速整體得到提高，流速分布相比無(wú)隔墩工況更加均勻。出水流道盲端處有旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)的流線得以消除，布置隔墩后，隔墩兩側(cè)流速有一定提升。

圖5 不同工況進(jìn)、出水流道速度云圖及流線圖Fig.5 Velocity nephogram and streamline diagram of inlet and outlet passages under different working conditions

采用面積加權(quán)的葉輪進(jìn)口斷面流速均勻度進(jìn)行比較，計(jì)算公式如下：

式中：Vuna為斷面流速均勻度；vai為葉輪室進(jìn)口斷面各單元軸向速度為葉輪室進(jìn)口斷面的平均軸向速度，m/s；ΔAi為葉輪進(jìn)口斷面i單元面積；A為斷面總面積。不同工況下葉輪進(jìn)口斷面流速均勻度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，在無(wú)隔墩與加隔墩各工況，葉輪進(jìn)口斷面流速均勻度均隨流量的增大而逐漸增大，對(duì)比可知，在進(jìn)、出水流道加入隔墩后，不同工況下的流速均勻度均有微小提升，在0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd運(yùn)行工況下分別提升0.72%、1.29%、1.36%。

表1 葉輪進(jìn)口流速均勻度 %Tab.1 Uniformity of flow velocity at impeller inlet

2.2 隔墩對(duì)雙向流道壓力脈動(dòng)影響

2.2.1 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為監(jiān)測(cè)雙向流道內(nèi)無(wú)隔墩與加隔墩壓力脈動(dòng)情況，在葉輪進(jìn)口（P1～P3）、葉輪出口（P4～P6）及導(dǎo)葉出口（P7～P9）3個(gè)截面沿徑向均勻布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置隔墩后，流道內(nèi)水流流態(tài)有所變化，在進(jìn)水流道（P10～P11）、出水流道（P12～P13）盲端處各布置2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)水流道（P14～P15）、出水流道（P16～P17）側(cè)壁處各布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Layout of pressure fluctuation monitoring points

2.2.2 壓力脈動(dòng)時(shí)域分析

通過(guò)非定常數(shù)值模擬對(duì)17 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)采集，為了消除監(jiān)測(cè)點(diǎn)自身靜壓對(duì)壓力脈動(dòng)特性影響，采用壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp來(lái)表示其結(jié)果，壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp表達(dá)式為：

式中：p為監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓瞬時(shí)值，Pa為監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓平均值，Pa；ρ為水的密度，kg/m3；u為葉輪出口圓周速度，m/s。

在設(shè)計(jì)工況，對(duì)加隔墩與無(wú)隔墩雙向流道內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行分析，選取4 個(gè)旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)行研究，圖7 與圖8 分別為無(wú)隔墩與加隔墩時(shí)設(shè)計(jì)工況下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性。由圖可知，在流道內(nèi)加隔墩與無(wú)隔墩情況下，葉輪與導(dǎo)葉處壓力脈動(dòng)［圖7（a）～（c）、圖8（a）～（c）］隨時(shí)間變化規(guī)律相似，均在1 個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)3 次波峰與波谷，隨著測(cè)點(diǎn)由輪轂至輪緣的布置，壓力脈動(dòng)系數(shù)幅值呈逐漸變大趨勢(shì)。圖7 與圖8 對(duì)比可知，當(dāng)流道內(nèi)無(wú)隔墩布置時(shí)，進(jìn)、出水流道盲端及進(jìn)水流道側(cè)壁［圖7（d）～（f）］所布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)基本重合，而在出水流道側(cè)壁［圖7（g）］，由于葉輪旋轉(zhuǎn)作用，出水流道兩側(cè)水流流速分布不均勻，所布置兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得脈動(dòng)數(shù)據(jù)存在差異，流道內(nèi)水流流動(dòng)紊亂，相比葉輪附近無(wú)明顯脈動(dòng)規(guī)律。增設(shè)隔墩后，進(jìn)水流道盲端與側(cè)壁［圖8（d）、（f）］不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)重合率較高，可以發(fā)現(xiàn)，隔墩布置對(duì)進(jìn)水流道內(nèi)邊壁脈動(dòng)影響較小，對(duì)于出水流道盲端與側(cè)壁［圖8（e）、（g）］，受導(dǎo)葉出口水流剩余環(huán)量影響，流速分布不均勻，而隔墩的布置阻礙了水流流向發(fā)展，使不同測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間呈現(xiàn)不同的脈動(dòng)規(guī)律，但幅值變化范圍差異不大，流道內(nèi)總體仍無(wú)明顯波動(dòng)規(guī)律。

圖7 無(wú)隔墩設(shè)計(jì)工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域Fig.7 Time domain of pressure fluctuation at each monitoring point under design condition without division pier

圖8 加隔墩設(shè)計(jì)工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域Fig.8 Time domain of pressure fluctuation at each monitoring point under design condition with division pier

2.2.3 壓力脈動(dòng)頻域分析

將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到壓力脈動(dòng)頻域特性，圖9 為設(shè)計(jì)工況下流道內(nèi)無(wú)隔墩與加隔墩時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜對(duì)比圖，其中，布置隔墩采用紅色表示，無(wú)隔墩采用黑色表示。結(jié)果表明，在無(wú)隔墩與加隔墩情況下，葉輪與導(dǎo)葉處壓力脈動(dòng)主頻與次主頻保持一致，均為3 倍轉(zhuǎn)頻與6 倍轉(zhuǎn)頻，即1倍葉頻與2 倍葉頻處，由輪轂至輪緣主頻與次主頻處壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp逐漸增大，由葉輪進(jìn)口至導(dǎo)葉出口，主頻引起的壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp逐漸減小。對(duì)比有無(wú)隔墩結(jié)果發(fā)現(xiàn)，布置隔墩后主次頻不改變，脈動(dòng)幅值同樣無(wú)明顯變化，可知上述隔墩對(duì)葉輪導(dǎo)葉處脈動(dòng)影響較小。

圖9 有無(wú)隔墩設(shè)計(jì)工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域Fig.9 Frequency domain of pressure fluctuation at each monitoring point under design condition with or without division pier

流道內(nèi)壓力脈動(dòng)規(guī)律性較差，圖9（d）～（g）表明，在進(jìn)水流道盲端與側(cè)壁處，布置隔墩后，主頻處幅值明顯降低，無(wú)隔墩時(shí)進(jìn)水流道盲端與側(cè)壁脈動(dòng)主頻為1 倍葉頻，壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp范圍為0.006 1～0.006 4，布置隔墩后主頻為1 倍葉頻，壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp范圍為0.004 1～0.004 2，由于本身壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp較小，對(duì)流道影響不大，在出水流道盲端與側(cè)壁處，隔墩的布置對(duì)主次頻及幅值影響不大。流道內(nèi)壓力脈動(dòng)無(wú)明顯規(guī)律，在加隔墩與不加隔墩主次頻不一致，但主頻仍保持為葉頻倍數(shù)，其余頻率下幅值也相差不大，無(wú)隔墩時(shí)出水流道盲端與側(cè)壁脈動(dòng)主頻為1 倍葉頻，壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp范圍為0.000 56～0.000 58，布置隔墩后主頻為2倍葉頻，壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp范圍為0.000 53～0.000 56。

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，針對(duì)某泵站雙向流道內(nèi)增設(shè)隔墩對(duì)流道及葉輪導(dǎo)葉處內(nèi)流與壓力脈動(dòng)特性影響展開(kāi)研究。主要結(jié)論如下：

（1）不同工況下，隨著流量增大，流道內(nèi)流速逐漸增大；在進(jìn)水流道，流道兩側(cè)流速較低，中間較高，布置隔墩后流道內(nèi)流速分布更加均勻；布置隔墩后，在小流量工況、設(shè)計(jì)流量工況及大流量工況下流速均勻度也存在少量提升，由82.8%、85.1%、88.3%提升至83.4%、86.2%、89.5%。

（2）壓力脈動(dòng)時(shí)域特性表明，葉輪與導(dǎo)葉處脈動(dòng)幅值呈現(xiàn)周期性變化，1 個(gè)周期內(nèi)均出現(xiàn)3 次波峰與波谷，脈動(dòng)幅值由葉輪至導(dǎo)葉逐漸減?。辉鲈O(shè)隔墩后，葉輪導(dǎo)葉處時(shí)域特性變化較小，由于隔墩的布置阻礙水流原本運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，出水流道側(cè)壁不同測(cè)點(diǎn)時(shí)域特性發(fā)生改變，但脈動(dòng)幅值范圍相似。

（3）壓力脈動(dòng)頻域特性表明，增設(shè)隔墩后，葉輪及導(dǎo)葉處主次頻及幅值變化不大，而在進(jìn)水流道盲端及側(cè)壁處，脈動(dòng)幅值得以降低；流道內(nèi)壓力脈動(dòng)主要仍在葉頻倍數(shù)處幅值較大。