箱涵式出水流道設(shè)計(jì)參數(shù)對泵裝置性能的影響研究

蔡一平,李進(jìn)東,袁 堯,李大亮,韓 逸,石麗建

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院,南京 210000;2. 南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,南京 210000;3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 概 述

箱涵式泵裝置是一種可以兼顧調(diào)水和排澇、實(shí)現(xiàn)雙向抽水功能的泵裝置型式,在我國平原地區(qū)低揚(yáng)程泵站工程中使用較多[1-3]。 王欣宇[4]等研究了不同導(dǎo)葉參數(shù)對箱涵式軸流泵裝置水力性能的影響,結(jié)果表明導(dǎo)葉相對位置對泵裝置的效率和導(dǎo)葉體的水力損失影響較大。 彭兵[5]等采用CFD 方法,針對南京永宏泵站雙向箱涵式出水流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明提高喇叭管的高度有助于導(dǎo)葉出口水流的擴(kuò)散,降低出水口的流速,減小水力損失,進(jìn)而提高泵裝置的效率。金海銀等[6]以江蘇省江邊樞紐泵站的箱涵式雙向立式軸流泵裝置為研究對象,采用物理模型試驗(yàn)方法,對箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型開展了能量性能、汽蝕性能及飛逸性能試驗(yàn),并采用數(shù)值模擬技術(shù),分析了泵裝置內(nèi)部流動特征。 單陸丹等[7]根據(jù)泵裝置選型原則,結(jié)合泵站大流量、低揚(yáng)程的特點(diǎn),從效率、運(yùn)行管理、設(shè)備制造及安裝等方面進(jìn)行了方案比選,優(yōu)選出軸流泵配箱涵式雙層進(jìn)出水流道的泵裝置結(jié)構(gòu)方案。 王朝飛等[8]基于RNGk-ε紊流模型和雷諾時(shí)均NS 方程,運(yùn)用CFD 商用大型軟件,對箱涵式進(jìn)出水流道立式軸流泵裝置進(jìn)行了三維流動仿真計(jì)算及水力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前,針對箱涵式泵裝置的相關(guān)研究交過多[9-11],但有關(guān)箱涵式出水流道設(shè)計(jì)參數(shù)對泵裝置性能的影響研究較少。 而箱涵式流道設(shè)計(jì)尺寸不但影響泵裝置的水力性能,還影響整個泵站的工程投資。 因此,針對箱涵式出水流道設(shè)計(jì)參數(shù)對泵裝置水力性能的影響研究具有重要的理論意義,本文的研究成果可為箱涵式泵站出水流道的設(shè)計(jì)提供參考。

2 三維建模及數(shù)值計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模型

泵裝置內(nèi)部三維流場數(shù)值模擬對象包括進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道的箱涵式立式軸流泵裝置。 泵裝置設(shè)計(jì)流量Q=33.4m3/s,葉輪轉(zhuǎn)速n=100r/min,葉輪直徑D=3.45m,葉輪葉片數(shù)3 片。 泵裝置采用箱涵式雙層流道泵裝置,該泵裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)引水和排澇兩種運(yùn)行狀態(tài)。 箱涵式泵裝置整體部分包括進(jìn)水流道、軸流泵葉輪、導(dǎo)葉體和出水流道共4 個部分,見圖1。

圖1 箱涵式軸流泵裝置計(jì)算模型

采用CFD 商用大型軟件,基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型,計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)量滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。 采用UG 與ANSYS ICEM CFD 軟件,對進(jìn)水流道和出水流道進(jìn)行實(shí)體建模與網(wǎng)格剖分。 采用ANSYS TurboGrid 軟件,對葉輪和導(dǎo)葉體進(jìn)行實(shí)體建模與網(wǎng)格剖分,原型泵建模時(shí)考慮了葉頂間隙的影響,葉頂間隙設(shè)置為1.725mm。

2.2 控制方程與紊流模型

泵葉輪內(nèi)部流動是三維非定常紊流流動,但在水泵穩(wěn)定運(yùn)行(轉(zhuǎn)速恒定)后,可認(rèn)為葉輪相對運(yùn)行是定常流動。 控制方程的離散采用基于有限元的有限體積法,擴(kuò)散項(xiàng)和壓力梯度采用有限元函數(shù)表示,對流項(xiàng)采用高分辨率格式(High Resolution Scheme)。 流場的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法,將動量方程和連續(xù)性方程耦合求解,克服了傳統(tǒng)SIMPLE 系列算法需要“假設(shè)壓力項(xiàng)-求解-修正壓力項(xiàng)”的反復(fù)迭代過程,同時(shí)引入代數(shù)多重網(wǎng)格技術(shù),提高了求解的穩(wěn)定性和計(jì)算速度。

泵裝置內(nèi)部流動介質(zhì)為水,可簡化為不可壓縮的牛頓液體,采用的控制方程為雷諾平均N-S方程。 紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型,該模型修正湍流黏度考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動情況,能更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流動。

2.3 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

直接對原型泵裝置進(jìn)行分析,泵裝置數(shù)值計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體及出水流道。

1)進(jìn)口邊界條件。 整個泵裝置作為數(shù)值模擬的計(jì)算域,將進(jìn)水流道的進(jìn)口作為整個泵裝置的進(jìn)口,進(jìn)口邊界條件采用總壓進(jìn)口條件,總壓設(shè)置為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2)出口邊界條件。 將出水流道的出口作為整個泵裝置計(jì)算流場的出口,出口邊界條件采用質(zhì)量流量出口。

3)壁面條件。 紊流模型不適用于壁面邊界層內(nèi)的流動,所以需對壁面進(jìn)行處理,才能保證模擬的精度。 泵裝置的進(jìn)出水流道、葉輪的外殼及導(dǎo)葉體均設(shè)置為靜止壁面,應(yīng)用無滑移條件,近壁區(qū)采用可伸縮壁面函數(shù)。

4)交界面設(shè)置。 交界面類型設(shè)置,對于葉輪與導(dǎo)葉、進(jìn)水流道與葉輪的動靜交界面采用速度平均的stage 模型,其他交界面類型采用None模型。

3 出水流道尺寸設(shè)計(jì)及結(jié)果計(jì)算

進(jìn)行箱涵式流道設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮流道的高度、寬度和長度尺寸要求。 采用DOE 方法進(jìn)行試驗(yàn)選優(yōu),針對進(jìn)出水流道,采用三因素五水平方法,見表1。

軸流泵葉輪的直徑為3.45m,轉(zhuǎn)速為100r/min,改變進(jìn)出水流道尺寸時(shí),進(jìn)水流道喇叭管懸空高保持不變,出水流道喇叭距離流道頂部高程保持不變。 通過CFD 數(shù)值模擬計(jì)算,得到各種組合方案在設(shè)計(jì)流量工況下的箱涵式流道泵裝置計(jì)算效率,見表2。

表2 正交試驗(yàn)表——實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可知,經(jīng)過CFD計(jì)算之后,不同流道尺寸參數(shù)得到的效率差別較大。 其中,方案20 的泵裝置效率最低,僅有68.62%;而方案11 效率最高,達(dá)到73.64%;最高效率與最低效率差別達(dá)到5.02%。 由此可見,箱涵式進(jìn)出水流道的長度、寬度和高度對效率的影響較大,需綜合考慮這3 個參數(shù)的設(shè)計(jì)。 根據(jù)正交試驗(yàn)分析可知,流道高度對效率的影響最大,流道寬度對效率的影響次之,而流道長度對效率的影響最小。 在箱涵式流道泵裝置的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)著重考慮流道寬度和流道高度。

將正交試驗(yàn)結(jié)果各設(shè)計(jì)因素用趨勢線表示,見圖2。

圖2 計(jì)算效率與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的趨勢曲線

從圖2 可以看出,就單一影響因素而言,流道高度對裝置效率的影響最大,可以影響裝置效率2%左右;流道寬度對裝置效率影響也接近2%。 總體上,流道越寬,效率越高;流道越高,效率越高。 對應(yīng)的優(yōu)組合為寬度取2.855D,長度取11.45D,高度取1. 35D(對應(yīng)方案11)。 也就是說,單從泵裝置效率的角度而言,在箱涵式流道設(shè)計(jì)時(shí),流道寬度越寬、流道高度越高,所得到的箱涵式泵裝置效率越高。 但實(shí)際工程中,流道寬度越寬,整個泵站的平面尺寸增大;流道越高,泵站的開挖深度越深,進(jìn)而導(dǎo)致泵站造價(jià)升高。 因此,實(shí)際泵站工程中箱涵式流道尺寸需要綜合考慮流道尺寸和工程造價(jià)。 取優(yōu)組合方案(方案11)和方案20 進(jìn)行流道壁面壓力云圖進(jìn)行對比,見圖3。

圖3 出水流道壁面壓力分布云圖

根據(jù)圖3 可知,兩個方案的出水型式基本都是四周出水,并沒有單側(cè)出水的不良情況。 但在流道出水方向,方案11 流道上的壓力相較于方案20 要高一些。 這是由于方案11 的流道寬度和高度均大于方案20,導(dǎo)葉出來的水流在方案11的喇叭管中擴(kuò)散更充分,回收的水流速度環(huán)量更多,使方案11 在流道出口方向上壓力偏高,流速相對小一些,這也是方案11 的流道水力損失較小、泵裝置效率較高的原因。

4 結(jié) 論

本文采用DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和CFD 數(shù)值計(jì)算方法,得到了25 種不同尺寸的出水流道箱涵式泵裝置設(shè)計(jì)方案和CFD 模擬結(jié)果。 其中,方案11箱涵式泵裝置效率最高,達(dá)到73.64%,最高效率與最低效率差別達(dá)到5.02%。 根據(jù)正交試驗(yàn)分析可知,箱涵式泵裝置出水流道高度對效率的影響最大,寬度對效率的影響次之,而流道長度對效率的影響最小。 結(jié)果表明,流道寬度越寬、流道高度越高,導(dǎo)葉出來的水流擴(kuò)散更充分,同時(shí)可以回收更多速度環(huán)量,進(jìn)而提高了泵裝置的運(yùn)行效率。