基于CFD技術(shù)的側(cè)向進(jìn)水回流泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁連沖， 楊 陳， 陳 斌， 張 華， 顧玉中

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210029； 2.藍(lán)深集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 211500；3.南京合工智能環(huán)保研究院有限公司， 江蘇 南京 211500)

泵站進(jìn)水前池是泵站及引水工程中重要的水利建筑物，其主要作用是為水泵機(jī)組提供良好的來流條件，保證機(jī)組安全高效地運(yùn)行[1-3]。受地形條件的限制以及工程實(shí)際需要，部分泵站不得不采用側(cè)向進(jìn)水的布置形式。相對(duì)于正向進(jìn)水，側(cè)向進(jìn)水前池中更易形成回流區(qū)以及流態(tài)紊亂而造成的泥沙沉積現(xiàn)象，機(jī)組的進(jìn)水條件由此受到影響，導(dǎo)致水泵運(yùn)行效率降低[4-5]。

基于以上背景，學(xué)者對(duì)泵站的側(cè)向進(jìn)水形式展開了大量的研究。孫眾等[6]基于能量梯度理論對(duì)泵站的側(cè)向進(jìn)水前池進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其研究表明大能量梯度的產(chǎn)生是導(dǎo)致局部回流和漩渦等不良流態(tài)產(chǎn)生的原因，因此在泵站進(jìn)水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)力求能量梯度的均勻。揚(yáng)州大學(xué)多名學(xué)者針對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站提出了系列優(yōu)化方案，陳齊[7]通過設(shè)置導(dǎo)流墩、底坎以及導(dǎo)流墩與底坎相結(jié)合的方式進(jìn)行了整流設(shè)計(jì)；楊旭[8]對(duì)不同孔高比和孔寬比的鏤空式整流底坎進(jìn)行了研究，結(jié)合數(shù)值模擬與物模試驗(yàn)，得出了最優(yōu)比值；孔梁[9]以袁橋泵站為例，提出了采用導(dǎo)流墻與立柱的優(yōu)化方案，系列研究對(duì)同類泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

針對(duì)某側(cè)向進(jìn)水形式的污泥回流泵站，本文以水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性為出發(fā)點(diǎn)，提出了采用隔墻式和常規(guī)開式簸箕型流道的改進(jìn)方案，最終結(jié)合斜坡設(shè)計(jì)提高了污泥回收率，為類似回流泵站的設(shè)計(jì)建設(shè)提供一定參考。

1 初始改進(jìn)方案

1.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為某凈水廠改造工程，其污泥回流環(huán)節(jié)采用側(cè)向進(jìn)水形式。選用某公司3臺(tái)600ZQB-85D型潛水軸流泵作為污泥回流泵使用，設(shè)計(jì)流量2 600 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4 m，轉(zhuǎn)速730 r/min，配套功率45 kW。圖1為原始方案，3臺(tái)回流泵按照橫向等距布置。

圖1 原始布置方案

1.2 改進(jìn)方案

在原始方案下，由于3臺(tái)回流泵的來流條件不一，易導(dǎo)致泵之間出現(xiàn)搶水現(xiàn)象，機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性受到影響。因此，基于水泵進(jìn)口導(dǎo)流的思想，提出采用簸箕型流道的改進(jìn)方案，分別定義3臺(tái)水泵編號(hào)為1、2、3，方案如圖2所示。

圖2 初始改進(jìn)方案

簸箕型流道分別設(shè)計(jì)為隔墻式(方案1)和常規(guī)開式(方案2)，前者施工較為簡(jiǎn)單，成本較低，后者能為水泵提供穩(wěn)定的進(jìn)水來流，但施工相對(duì)復(fù)雜。兩種方案的三維示意如圖3。

圖3 改進(jìn)方案三維示意

2 數(shù)值計(jì)算與最終方案

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行1∶1三維建模，以Star ccm+作為虛擬仿真平臺(tái)，采用多面體網(wǎng)格劃分[10-11]，泵段關(guān)鍵水力部件進(jìn)行局部加密處理。最終，方案1網(wǎng)格總數(shù)約為734萬，方案2網(wǎng)格總數(shù)約為860萬。圖4為具體的網(wǎng)格劃分示意圖。

對(duì)全流場(chǎng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬，工作流態(tài)為分離流流動(dòng)，控制方程選用Navier-Stokes方程，湍流模型調(diào)用K-Epsilon模型。葉輪區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)區(qū)域，其余均為靜止區(qū)域。依據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，出口設(shè)為自由出流邊界，相對(duì)壓力為1.01325×105Pa。

2.2 初始方案分析

方案1和方案2的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別如表1和表2所示?？梢妰煞桨钢械?號(hào)泵均分擔(dān)了較大的流量，3號(hào)泵的流量均為最小，且效率最低。相對(duì)于方案1，方案2中同位置水泵的運(yùn)行效率和揚(yáng)程均略高，其水泵的進(jìn)水流線如圖5所示。從流線圖中可以看出，3號(hào)泵流量最低，流線顏色最深，其流道進(jìn)口側(cè)箭頭所示區(qū)域存在小型旋渦，其余2個(gè)泵的進(jìn)水流線均很平順，有利于水泵的穩(wěn)定運(yùn)行，因此效率較高。

表2 方案2數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5 方案2水泵進(jìn)水流線

圖6為方案1的流場(chǎng)分布情況。簸箕型隔墻后方的池底死角位置為污泥沉降的重點(diǎn)區(qū)域，從流場(chǎng)圖來看，污泥沉降區(qū)域的主要特征表現(xiàn)為大旋渦和低流速，如圖中箭頭所示區(qū)域。

圖6 方案1流場(chǎng)分布

因此，方案1雖然施工簡(jiǎn)單，但污泥沉降現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且水泵運(yùn)行穩(wěn)定性略遜于方案2。綜合考慮以上兩種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)，下文提出了最終方案。

2.3 最終方案的確定

基于施工制造、泵運(yùn)行效率、穩(wěn)定性以及污泥回收率等方面的考慮，決定在方案1中1號(hào)泵和2號(hào)泵的隔墻后方設(shè)置斜坡，以緩解污泥沉降和提高隔墻強(qiáng)度，同時(shí)取消3號(hào)泵區(qū)域的隔墻，把3號(hào)泵作為備用泵來使用，即“兩用一備”方案。定期或當(dāng)流量需求較大時(shí)開啟3號(hào)泵，以回收后方污泥和分擔(dān)部分流量。最終方案如圖7所示。

圖7 最終方案示意

2.4 最終方案分析

采用與上文相同的數(shù)值計(jì)算方法，模擬了3臺(tái)回流泵全開的情況，最終方案的計(jì)算結(jié)果如表3所示。從整體上來看，3臺(tái)回流泵的運(yùn)行流量相對(duì)于方案1更為均勻，效率也得到了一定提升，但依然低于方案2。其中3號(hào)泵優(yōu)化效果最為明顯，其運(yùn)行效率相對(duì)于方案1提高了3%，3臺(tái)回流泵的流量極差由方案1的0.062 m3/s降至了0.049 m3/s。

表3 最終方案數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖8為最終方案下的流場(chǎng)圖。從圖中可以看出，3號(hào)泵后方的池底死角區(qū)域原本存在的大型旋渦被消除，流線呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，穩(wěn)定地進(jìn)入3號(hào)泵的吸入口，如A區(qū)域所示。斜坡所處的B區(qū)域依然存在較大的低速旋渦，但在重力作用下，沉降的污泥有沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，有利于3號(hào)泵的污泥回收工作。前方C區(qū)域的流場(chǎng)相對(duì)于方案1未發(fā)生明顯變化，旋渦均位于在池底上方，池底流速較高，不會(huì)形成大面積的污泥沉降。

圖8 最終方案流線圖

3 結(jié) 論

(1)方案1采用隔墻式簸箕型流道，具有施工簡(jiǎn)便、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，但流體運(yùn)動(dòng)至隔墻后方，動(dòng)能損失較大，流體運(yùn)動(dòng)失速，易在池底的隔墻死角處形成沉降區(qū)，同時(shí)回流泵的搶水現(xiàn)象較為明顯，不利于泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)方案2為常規(guī)開式簸箕型流道，回流泵的運(yùn)行性能最優(yōu)，最高效率達(dá)到70%，且流量分布最為均勻，流量極差僅為0.03m3/s，但施工難度大，成本高。

(3)最終，選擇帶有斜坡的隔墻式簸箕型流道結(jié)合“兩用一備”的方案。該方案下，3號(hào)泵的運(yùn)行效率提高至65%，流量極差由方案1的0.062 m3/s降至了0.049 m3/s，同時(shí)泵站后方污泥沉降問題也得到了顯著改善。

利用CFD技術(shù)確定了側(cè)向進(jìn)水回流泵站的優(yōu)化方案，相對(duì)于模型試驗(yàn)的方法，數(shù)值模擬節(jié)省了大量時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，具有一定的工程意義。對(duì)于上文的最終方案，隔墻的高度h以及斜坡的角度α將會(huì)是今后研究的重點(diǎn)方向。