泵站前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道的數(shù)值優(yōu)化

付建國(guó)，李 寧

(江西水利職業(yè)學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

前池和進(jìn)水流道屬于泵站的重要組成部分，建在泵站的前部，使進(jìn)水口的水流變得柔滑平順，給泵站提供良好的取水條件，改善泵站的進(jìn)水流態(tài)。當(dāng)前池和進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)有不合理的地方時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)水流紊亂、不良流態(tài)以及產(chǎn)生渦旋的現(xiàn)象，使得流入水泵的流量和流態(tài)受到影響，降低泵站的使用效率，嚴(yán)重時(shí)還可能使泵站偏工況運(yùn)行，這對(duì)泵站的高效、穩(wěn)定、安全運(yùn)行是一個(gè)極大的威脅，故在設(shè)計(jì)階段有必要對(duì)泵站前池和進(jìn)水流道進(jìn)行預(yù)測(cè)、研究和必要的優(yōu)化。

相關(guān)學(xué)者對(duì)泵站前池及開(kāi)敞式進(jìn)水流道進(jìn)行了研究，孫眾[1]等通過(guò)ANSYS流體仿真軟件，運(yùn)用 CFX求解器對(duì)側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)不穩(wěn)定流場(chǎng)的機(jī)理。楊慶勝[2-4]等對(duì)不同工況下的泵站前池流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，在改善流態(tài)的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證CFD對(duì)前池?cái)?shù)值模擬有著很高的可信度。

陸偉剛、馮建剛[5-10]等人為改善泵站前池流態(tài)、優(yōu)化水泵進(jìn)水條件，基于計(jì)算流體力學(xué)分析底坎、導(dǎo)流墩等不同幾何參數(shù)、不同布置形式下的整流措施對(duì)前池流態(tài)的影響，改善了進(jìn)水流態(tài)，提高了泵站運(yùn)行穩(wěn)定性。趙智磊[11-12]等通過(guò)改變泵站進(jìn)水河道中心線和泵站進(jìn)水池中心軸線的夾角、調(diào)整進(jìn)水前池斜坡坡度等方式對(duì)壓力前池流態(tài)進(jìn)行分析后確定出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。羅燦、徐存東[13-14]等基于k-ε湍流模型，用CFD軟件對(duì)泵站前池進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了合理的整流優(yōu)化方案，有效地改善了泵站進(jìn)水前池的水流流態(tài)。

在前人研究基礎(chǔ)上，本文以某泵站前池和進(jìn)水流道為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在SolidWorks軟件中建立前池和進(jìn)水流道參數(shù)化模型，應(yīng)用CFX對(duì)研究模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程按照先局部后整體的優(yōu)化思路，先優(yōu)化前池進(jìn)水流道坡度，然后通過(guò)改變前池進(jìn)水流道的寬度進(jìn)行優(yōu)化，并引入綜合性能指標(biāo)λ概念，分析比較不同方案的前池進(jìn)水流道的三維湍流流動(dòng)和水力性能，得到最優(yōu)方案，從而為泵站提供良好的進(jìn)水條件。

1 泵站前池工程概況

泵站單機(jī)組設(shè)計(jì)流量4.6 m3/s，配套電機(jī)為250 kW-16P，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2.5 m，水泵葉輪直徑初定為1 200 mm，單機(jī)功率135.3 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速365 r/min。泵站采用開(kāi)敞式進(jìn)水流道作為進(jìn)水進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 三維建模及網(wǎng)格剖分

2.1 計(jì)算模型

泵站前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道是影響泵站整體流態(tài)的關(guān)鍵因素。本文采用SolidWorks軟件對(duì)泵站前池進(jìn)水流道中的水體進(jìn)行建模，之后導(dǎo)入ANSYS軟件的DM模塊進(jìn)行調(diào)整，圖1中B為池寬，i為坡度，b為后壁距。

圖1 泵站前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道參數(shù)圖

圖2 泵站前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道計(jì)算模型圖

2.2 網(wǎng)格劃分

前池和進(jìn)水流道三維模型的網(wǎng)格劃分在ANSYS ICEM軟件下實(shí)現(xiàn)。采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，對(duì)邊界層及局部進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為543 678，網(wǎng)格數(shù)為510 840，網(wǎng)格質(zhì)量超過(guò)0.3，如圖3所示。

圖3 泵站前池結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

2.3 邊界條件與控制方程

導(dǎo)入進(jìn)水流道的網(wǎng)格模型到CFX-Pre中，如圖4所示。

圖4 前池進(jìn)水流道運(yùn)行示意圖

前池和進(jìn)水流道進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)工況，3 m寬進(jìn)口流量設(shè)置為4.6 tonne/s，6 m寬進(jìn)口流量設(shè)置為9.2 tonne/s，出口斷面采用平均靜壓出口，出口壓力設(shè)置為1 atm。前池和進(jìn)水流道的水面設(shè)置為自由液面，壁面設(shè)置為靜止壁面，應(yīng)用無(wú)滑移條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)邊界條件，其表面取無(wú)滑移壁面[15]。計(jì)算時(shí)收斂條件設(shè)置的殘差值為10e-5，同時(shí)監(jiān)控泵裝置的進(jìn)出口斷面的壓力增量穩(wěn)定為止。

2.4 計(jì)算公式

2.4.1 前池和進(jìn)水流道水力損失預(yù)測(cè) 根據(jù)伯努利能量方程，引入水力損失hf的概念，前池和進(jìn)水流道的水力損失hf由流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)來(lái)預(yù)測(cè)，計(jì)算公式為：

(1)

式中：E1、E2為流道進(jìn)、出口處的總能量；p1、p2為流道進(jìn)、出口處的靜壓(Pa)；Z1、Z2為流道進(jìn)、出口的高度(m)；u1、u2為流道進(jìn)、出口水流速度(m/s)；ρ為水流密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)。

2.4.2 出口斷面軸向流速分布均勻度預(yù)測(cè) 進(jìn)水結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足水力損失要求的同時(shí)，其進(jìn)水條件還應(yīng)盡可能滿足均勻的流速分布和壓力分布。進(jìn)水結(jié)構(gòu)的出口緊接泵閘的進(jìn)口，其軸向速度分布均勻度Vu反映了進(jìn)水流道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，Vu值越接近100 %，表明進(jìn)水結(jié)構(gòu)出口水流的軸向流速分布越均勻，進(jìn)入泵閘的水流越均勻同向，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Vu為流道出口斷面軸向流速分布均勻度(%)；va為流道出口斷面軸向流速算術(shù)平均值(m/s)；vai為流道出口斷面各計(jì)算單元的軸向速度(m/s)；n為出口斷面上的計(jì)算單元個(gè)數(shù)。

2.4.3 優(yōu)化后的綜合性能指標(biāo) 為了比較優(yōu)化后前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道的綜合性能，引入綜合性能指標(biāo)λ概念，對(duì)進(jìn)水結(jié)構(gòu)水力損失hf和出口斷面軸向流速分布均勻度Vu進(jìn)行綜合考慮，分別與原方案比較。由于流道出口斷面軸向流速分布均勻度Vu對(duì)流態(tài)影響較大，取權(quán)重占比0.7，進(jìn)水結(jié)構(gòu)水力損失hf取占比0.3。

(3)

式中：λ為優(yōu)化后前池進(jìn)水流道綜合性能指標(biāo)(%)；hfy為原流道的水力損失(m)；Vuy為原流道的出口斷面軸向流速分布均勻度(%)。

3 原流道數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在經(jīng)過(guò)計(jì)算后可以得到原流道的各特性如圖5所示。

由壁面靜壓力分布云圖可以看出在原流道的出口處的壓力最大，壁面壓力在坡道起始位置壓力最小，這一塊需要進(jìn)行加固處理，防止發(fā)生空蝕破壞。由截面靜壓分布云圖可以得到，低壓區(qū)在順?biāo)鞣较蛏喜粩嘧儎?dòng)，因?yàn)榈蛪菏切郎u產(chǎn)生的原因，這就意味著旋渦在各斷面不斷地變化，低壓區(qū)逐漸向池底靠近，主流偏向一側(cè)。

由流線圖中可以看到，在進(jìn)口處以及中間段的流線平順，但在底坡到出口的部分流線比較紊亂，這將會(huì)使出口處產(chǎn)生不良流態(tài)，應(yīng)予以改善。從渦旋圖可以看到在流道出口前區(qū)域產(chǎn)生了較多的渦旋，這進(jìn)一步說(shuō)明了出口的水流流態(tài)產(chǎn)生破壞，使得流出的水流比較混亂。

綜上所述，原流道流態(tài)較差，產(chǎn)生了大量的旋渦，因此有必要進(jìn)行優(yōu)化，以優(yōu)化流態(tài)，減小水能損失。

4 前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道優(yōu)化

4.1 前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)原始方案前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道進(jìn)行初步數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)前池進(jìn)水流道在前半部逐漸收縮，流態(tài)較好，但在靠近進(jìn)水流道出口處，因底坡的存在，形成了渦旋，為防止渦旋的形成，考慮減小前池底部坡度，將底部坡度和流道總寬度作為控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，表1為前池進(jìn)水流道模型8個(gè)優(yōu)化控制方案，其示意見(jiàn)圖6所示，以前述水力損失hf及軸向速度分布均勻度Vu為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，開(kāi)展前池進(jìn)水流道的優(yōu)化。設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化是在參數(shù)可變區(qū)間內(nèi)，采用控制變量法，在Solidworks軟件中建立參數(shù)化建模，在ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格的更新和數(shù)值計(jì)算，具體優(yōu)化方案見(jiàn)列表1所示。

表1 前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道模型優(yōu)化方案表

圖6 優(yōu)化方案示意圖

4.2 前池和開(kāi)敞式進(jìn)水流道優(yōu)化結(jié)果分析

將各個(gè)方案的進(jìn)水結(jié)構(gòu)水力損失hf、出口流速均勻度Vu和綜合性能指標(biāo)λ整理如圖7～圖9所示。

圖7 進(jìn)水結(jié)構(gòu)各數(shù)值優(yōu)化方案水力損失結(jié)果

圖8 進(jìn)水結(jié)構(gòu)各數(shù)值優(yōu)化方案出口流速均勻度結(jié)果

圖9 進(jìn)水結(jié)構(gòu)各數(shù)值優(yōu)化方案綜合性能結(jié)果

通過(guò)進(jìn)水結(jié)構(gòu)各數(shù)值優(yōu)化方案水力損失結(jié)果可以看出，原始方案P0水力損失0.003 5 m為最大，優(yōu)化方案P6水力損失0.001 5 m為最小，優(yōu)化方案P7水力損失介于二者之間，但是最大水力損失和最小水力損失差值較小，對(duì)最終的優(yōu)化結(jié)果影響稍小。通過(guò)進(jìn)水結(jié)構(gòu)各數(shù)值優(yōu)化方案出口流速均勻度結(jié)果可以看出，原始方案P0出口流速均勻度最低為38.62 %，優(yōu)化方案P7出口流速均勻度最大為74.94 %，因出口流速均勻度對(duì)泵站的水力性能影響大，故而其在綜合性能的比重較大。通過(guò)進(jìn)水結(jié)構(gòu)各數(shù)值優(yōu)化方案綜合性能結(jié)果可以看出，各優(yōu)化方案均比原始方案P0較好，優(yōu)化方案P7最優(yōu)，更適合泵站的運(yùn)行。本文列出P7方案各特性圖做進(jìn)一步分析，優(yōu)化結(jié)果流態(tài)如圖10所示。

(a)P7壁面壓力分布云圖 (b)P7各截面靜壓分布云圖

通過(guò)對(duì)比P1～P8進(jìn)水結(jié)構(gòu)的壁面壓力分布云圖，大部分優(yōu)化方案進(jìn)水結(jié)構(gòu)前段壓力分布均勻，但是在坡度起始端均存在細(xì)長(zhǎng)的線性低壓區(qū)，低壓區(qū)的存在容易導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象，其中P6、P7方案低壓區(qū)較小，對(duì)流態(tài)的影響最小。P2、P4在進(jìn)水結(jié)構(gòu)前、中段和進(jìn)水結(jié)構(gòu)出口處到底坡區(qū)域均存在壓力梯度分布不均勻的現(xiàn)象，其余方案壓力梯度遞變均勻。因此，當(dāng)進(jìn)水結(jié)構(gòu)的寬度發(fā)生改變，會(huì)使得部分坡下壓力分布紊亂，造成出口處的壓力分布不均。

對(duì)比P1～P8進(jìn)水結(jié)構(gòu)的截面壓力分布圖可知，進(jìn)水結(jié)構(gòu)前段截面壓力從上而下逐漸遞增，壓力分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生明顯渦旋，底坡區(qū)域，壓力從上而下開(kāi)始逐漸遞減，下部壓力明顯小于上部壓力，由此可以得出底坡區(qū)域易產(chǎn)生明顯渦旋。從底坡區(qū)域開(kāi)始，壓力分布開(kāi)始發(fā)生較大變化，進(jìn)水結(jié)構(gòu)出口處的壓力分布極不均勻，流態(tài)不穩(wěn)定。

對(duì)比P1～P8進(jìn)水結(jié)構(gòu)的流線圖可以看出，在進(jìn)水結(jié)構(gòu)的前段和中段部分流線比較平順整齊。因此只進(jìn)行坡度優(yōu)化的方案，在底坡至出口區(qū)域的流線曲折性改變較小，而改變流道寬度的優(yōu)化方案，底坡至出口區(qū)域的流線比較紊亂，水流流態(tài)較差，對(duì)出口處的流速均勻度造成一定的影響。由此可以得出，當(dāng)改變了進(jìn)水結(jié)構(gòu)的寬度后，會(huì)使得底坡和出口處的水流流線變得紊亂，造成出口處的流速均勻度降低。

對(duì)比P1～P8進(jìn)水結(jié)構(gòu)的渦旋圖可以看出，進(jìn)水結(jié)構(gòu)前段渦旋較小，無(wú)明顯渦旋，底坡開(kāi)始出現(xiàn)明顯的渦旋，流態(tài)產(chǎn)生較大變化，底坡至進(jìn)水流道出口區(qū)域均有不同程度的渦旋，流態(tài)極不穩(wěn)定。其中P6和P7方案渦旋相對(duì)最小，流態(tài)最好，P8方案渦旋最大，流態(tài)最差。

5 結(jié)論

1)前池進(jìn)水流道的水力損失hf從優(yōu)化前的0.003 5 m降低到優(yōu)化后的0.001 5 m，進(jìn)水流道出口軸向流速均勻度由優(yōu)化前的38.62 %提高到優(yōu)化后的74.94%。通過(guò)優(yōu)化，水力性能得到了較大提升，合理的進(jìn)水結(jié)構(gòu)是保證泵站能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。

2)從綜合性能來(lái)看，與原流道相比，P7方案的優(yōu)化效果最好，對(duì)坡度進(jìn)行優(yōu)化后可以很好地改善前池內(nèi)的不良流態(tài)，消除渦旋現(xiàn)象的產(chǎn)生，使出口處的流速均勻度得到一個(gè)良好的結(jié)果，可以有效地保障泵站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3)對(duì)比8個(gè)優(yōu)化方案，坡度i對(duì)進(jìn)水結(jié)構(gòu)水力特性的影響最為敏感，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。