臥式泵站豎井進(jìn)水流道三面進(jìn)水水力特性數(shù)值模擬

蔣紅櫻，顏紅勤，肖忠明，成立，劉浩

(1. 江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029； 2. 江蘇省丹陽市九曲河樞紐管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 3. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

大型泵站一般設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)水流道以連接前池和水泵葉輪室，其功能是為水泵葉輪室的水泵帶來穩(wěn)定的進(jìn)水流態(tài)，進(jìn)而達(dá)到水泵葉輪對(duì)葉輪室進(jìn)口提出的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1].豎井貫流泵設(shè)備在不同低揚(yáng)程泵站中被普遍使用，體現(xiàn)出流道順直，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡便以及水力損失較少等優(yōu)勢(shì)[2-5].目前國內(nèi)專家已開始優(yōu)化和改善現(xiàn)有的進(jìn)水流道，開展深入的分析和研究.楊帆等[6]主要分析了系列豎井型線的演變規(guī)則和對(duì)貫流泵設(shè)備內(nèi)流機(jī)理和運(yùn)作穩(wěn)定性造成的作用.徐磊等[7]采用三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算的方法，揭示了豎井貫流泵裝置內(nèi)、外特性存在的關(guān)系，拓展有關(guān)水力設(shè)計(jì)理論的知識(shí).周亞軍等[8]使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方式，針對(duì)豎井貫流泵裝置進(jìn)、出水流道進(jìn)行了CFD分析和水力設(shè)計(jì)優(yōu)化；商邑楠等[9]對(duì)不同豎井線型參數(shù)下豎井貫流泵進(jìn)水流道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，展現(xiàn)了各方案進(jìn)水流道出口斷面的軸向速度分布、水平剖面的流線和壓力分布，以及流道水力損失的狀況.相比于傳統(tǒng)豎井進(jìn)水流道采用的雙向進(jìn)水形式[10-13]，三面進(jìn)水流道進(jìn)水面積更大.因此文中在前人的研究基礎(chǔ)上對(duì)臥式泵站豎井三面進(jìn)水流道進(jìn)行數(shù)值模擬，采用CFD技術(shù)對(duì)矩形和流線型中墩下的三面進(jìn)水流道進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行定量定性分析，以期為進(jìn)水流道的水力設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為同類型的泵站設(shè)計(jì)提供優(yōu)化參考.

1 工程概況

某單向臥式引水泵站主要使用豎井式進(jìn)水流道，預(yù)期引水流量100 m3/s，裝置3臺(tái)貫流泵機(jī)組，單泵預(yù)期流量是33.3 m3/s，單泵安裝電動(dòng)機(jī)功率1 600 kW，總裝機(jī)容量4 800 kW，單泵葉片數(shù)為3，葉片角度為0°，導(dǎo)葉數(shù)為5片，泵站凈揚(yáng)程1.73 m，最高凈揚(yáng)程3.45 m，總揚(yáng)程中考慮河道、攔污柵和門槽虧損0.25 m.

2 計(jì)算模型及數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及控制參數(shù)

在UG9.0軟件中構(gòu)建了臥式引水泵站的計(jì)算模型，整體葉輪直徑D=3.2 m，單機(jī)預(yù)期流量是33.3 m3/s，因此貫流泵設(shè)備豎井進(jìn)水流道的核心管理參數(shù)：流道進(jìn)口寬度2.75D，進(jìn)口高度1.53D，流道長度4.86D.主要包含進(jìn)水延伸段、進(jìn)水流道、葉輪等6個(gè)部分，其中進(jìn)水延伸段和出水延伸段長度為2.60D，高度分別為上下游設(shè)計(jì)水位，葉輪和導(dǎo)葉段合計(jì)長1.20D，出水流道長5.80D.豎井貫流泵裝置全流道計(jì)算模型如圖1所示.

圖1 豎井貫流泵裝置全流道計(jì)算模型

2.2 數(shù)值模擬方法及邊界條件

根據(jù)雷諾時(shí)均N-S控制方程以及RNGk-ε湍流模型，進(jìn)行包括進(jìn)水延伸段、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道、出水延伸段在內(nèi)的貫流泵裝置全流道CFD分析和水力設(shè)計(jì)優(yōu)化.把進(jìn)水延伸段進(jìn)口當(dāng)作完整計(jì)算域的進(jìn)口，其中邊界條件設(shè)計(jì)為質(zhì)量流量進(jìn)口，進(jìn)口流量設(shè)置為33 300 kg/s；將出水延伸段出口作為整個(gè)計(jì)算域的出口，設(shè)為自由出流條件，參考?jí)毫?01 325 Pa；葉輪部分設(shè)置轉(zhuǎn)速為131.82 r/min，不需要關(guān)注前池液面與空氣產(chǎn)生的熱交換以及熱傳導(dǎo)，針對(duì)液面使用剛蓋假定，自由表面設(shè)計(jì)為對(duì)稱邊界標(biāo)準(zhǔn)；因此該區(qū)域的固體邊界全部設(shè)計(jì)為壁面邊界標(biāo)準(zhǔn)，固體壁面位置主要使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，設(shè)置為無滑移邊界條件(x，y，z方向的速度分量全部是0)；使用一階迎風(fēng)格式，收斂精準(zhǔn)性是10-4，動(dòng)靜交界面使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Frozen Stator)模型，確保其中存在的連續(xù)性[14-15].

2.3 網(wǎng)格劃分

把計(jì)算模型輸入mesh網(wǎng)格分類中，使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格完成整個(gè)網(wǎng)格劃分工作，因此計(jì)算域y+值為30～500.進(jìn)水流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為7.281萬，葉輪網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為80.635萬，導(dǎo)葉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為105.975萬，出水流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5.973萬.

通過網(wǎng)格無關(guān)性運(yùn)算，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)量為208.764萬時(shí)，整體水力虧損不存在任何變化，相對(duì)誤差保持在±2%內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn).網(wǎng)格剖分示意圖如圖2所示.

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

3 進(jìn)水流道設(shè)計(jì)

現(xiàn)采用具有較好水力性能的進(jìn)水流道外輪廓型線，在此基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)水流道三向進(jìn)水的情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).采用矩形和流線型2種不同的中墩線型，圖3a為中墩的位置示意圖，圖3b,3c為流道的橫剖面圖，分別顯示了矩形中墩和流線型中墩的型線，圖3d為流道的A-A斷面圖，其中B為豎井流道進(jìn)口寬度，b為中墩寬度，h為中墩高度.具體方案如表1所示，考慮機(jī)組安裝，要求中墩高度h≤0.1B，現(xiàn)選取h=0.1B，考慮結(jié)構(gòu)安全限制，要求中墩寬度b≥0.075B，通過改變中墩寬度b對(duì)不同線性下的三向進(jìn)水流道進(jìn)行數(shù)值模擬分析.

表1 各方案斷面參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 特征斷面的選取

為深入研究優(yōu)化之后豎井貫流泵設(shè)備實(shí)際流態(tài)，在進(jìn)水流道中主要選擇5個(gè)特征斷面，當(dāng)前斷面1-1是進(jìn)水流道進(jìn)口斷面、斷面2-2是豎井頭部斷面、斷面3-3是進(jìn)水流道方變圓進(jìn)口斷面、斷面4-4為豎井尾部斷面、斷面5-5為水泵葉輪進(jìn)口斷面，斷面具體位置如圖4所示.

圖4 進(jìn)水流道典型斷面位置示意圖

4.2 特征斷面軸向速度分析

圖5為各方案在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)水流道三維流線圖及各特征斷面速度云圖，圖中va為流道軸向流速.通過觀察，其中斷面1-1并無明顯變化；斷面2-2總體分布趨勢(shì)為左右對(duì)稱分布；斷面3-3流速減小，因采取三向進(jìn)水的流道模型，過流斷面面積增大，流速相應(yīng)減小；斷面4-4軸向流速分布通常體現(xiàn)為左右對(duì)應(yīng)的分布情況，此處表現(xiàn)為接近壁面邊界的速度更低，和現(xiàn)實(shí)狀況相符合；斷面5-5因?yàn)槭茇Q井端部收縮以及葉輪旋轉(zhuǎn)的作用，水泵進(jìn)口斷面上的流速主要在過水?dāng)嗝?個(gè)方向上，且體現(xiàn)出不對(duì)稱的特征.方案4，5，6因采用流線型中墩，斷面1-1，2-2和3-3的流速略低于采用矩形中墩的方案.

圖5 進(jìn)水流道三維流線圖及各特征斷面速度云圖

總體上，各方案進(jìn)水流道進(jìn)口處流速大致呈對(duì)稱分布，流速不高；在步入豎井段之后，水流通過豎井前行，體現(xiàn)出彎曲的特征；在收縮段部分，隨著過水?dāng)嗝婷娣e減小，流速逐漸加快，左右基本對(duì)稱.6類不同豎井進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)相對(duì)勻稱，沒有出現(xiàn)脫流、旋渦，水泵入口水流環(huán)境更好，可以為水泵帶來穩(wěn)定的進(jìn)水條件.

圖6為泵裝置進(jìn)口斷面的壓力云圖，圖中p為斷面上的壓力大小.從圖中可以看出,在泵進(jìn)口斷面上，隨著中墩寬度b的變化方案1-3進(jìn)口壓力分布變化不大；相比于矩形中墩，流線型中墩泵進(jìn)口斷面壓力在上下左右4個(gè)方向上并不完全對(duì)稱，四周偏小，隨著中墩寬度的減小，四周壓力逐漸分布均勻，當(dāng)b=0.075B時(shí)，流線型中墩泵進(jìn)口斷面上的壓力分布較矩形中墩更為均勻.

圖6 泵進(jìn)口斷面壓力云圖

圖7為不同寬度以及不同線型下進(jìn)水流道各斷面平均流速，圖中vi為斷面平均流速.從圖中可以看出，在不同寬度的中墩下，流線型中墩的方案所對(duì)應(yīng)的斷面3-3的流速均大于矩形中墩對(duì)應(yīng)的方案，流速變化趨勢(shì)基本一致.對(duì)比不同線型下的各方案可以發(fā)現(xiàn)，由于隨著寬度的減小，過水?dāng)嗝婷娣e增大，斷面3-3的流速隨著寬度的減小而增大，相比于矩形中墩，流線型中墩下各方案斷面流速變化更為明顯.

圖7 各方案進(jìn)水流道斷面平均流速

4.3 水力性能分析

為深入分析不同方案對(duì)進(jìn)水流道水力損失以及設(shè)備效率造成的作用，根據(jù)式(1)確定設(shè)計(jì)工況下6類方案進(jìn)水流道的水力損失Δh.計(jì)算結(jié)果見表2.

(1)

式中：pin為進(jìn)水流道進(jìn)口處壓強(qiáng)；pout為進(jìn)水流道出口處壓強(qiáng)；ρ為水的密度，取1.0×103kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2.

為了研究進(jìn)水流道內(nèi)流場性質(zhì)，選取了進(jìn)水流道出口斷面5-5為特征斷面，分別通過式(2)和式(3)計(jì)算出斷面上的軸向流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角.

為了評(píng)價(jià)各斷面上的軸向速度分布均勻程度，可由式(2)算出軸向速度分布均勻度Vau，即

(2)

式中：vai為進(jìn)水流道出口斷面各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的軸向速度，m/s；va為進(jìn)水流道出口斷面平均軸向速度，m/s；n為節(jié)點(diǎn)的數(shù)目.

(3)

式中：θ為進(jìn)水流道出口斷面速度加權(quán)平均角；vti為流道出口斷面各計(jì)算單元的橫向速度.計(jì)算結(jié)果見表2所示.

表2 進(jìn)水流道主要水力性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過CFD計(jì)算發(fā)現(xiàn)，矩形中墩對(duì)應(yīng)方案1-3的流速分布均勻度、速度加權(quán)平均角都略低于流線型中墩對(duì)應(yīng)方案4-6，方案6流速分布均勻度最高達(dá)到79.57%，速度加權(quán)平均角為79.97°；隨著中墩寬度b的減小，過水?dāng)嗝婷娣e逐漸增大，不同線型的流道其流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角逐漸增大.矩形中墩方案流道水力損失相比于流線型中墩方案均偏大，但相差較小，最小為方案6的流道水力損失為0.049 m.

5 結(jié) 論

1) 數(shù)值模擬了不同線型中墩以及不同寬度中墩對(duì)應(yīng)的進(jìn)水流道在設(shè)計(jì)流量工況下的流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用流線型中墩較矩形中墩可以獲得更好的流態(tài).

2) 流道的斷面變化情況將影響到流道的水力損失性能.隨著b的取值從1.250B減小到0.075B，過水?dāng)嗝婷娣e逐漸增大，各方案流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角逐漸增大.當(dāng)b=0.075B時(shí)，流速分布均勻度以及速度加權(quán)平均角最高.

3) 不同方案豎井進(jìn)水流道的流態(tài)相對(duì)勻稱，流動(dòng)整齊，水力虧損不大，水泵進(jìn)口斷面軸向流速分布相對(duì)勻稱，都可以達(dá)到豎井貫流泵設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)作的標(biāo)準(zhǔn).從水泵機(jī)組簡便安裝、維護(hù)方便的層面著手，最好選擇b=0.075B的流線型中墩.