一體化預(yù)制泵站的流體分析*

□ 楊 雷 □ 李方玉 □ 趙 江

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200072

1 分析背景

一體化預(yù)制泵站是替代傳統(tǒng)排水泵站的理想解決方案,屬于集成式一體化泵站。一體化預(yù)制泵站為交鑰匙工程,泵站的筒體采用加厚型機(jī)械纏繞玻璃鋼材質(zhì)制成。一體化預(yù)制泵站以強(qiáng)大的流體提升和輸送能力,在城市水循環(huán)系統(tǒng)和正在興起的海綿城市工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。一體化預(yù)制泵站避免了傳統(tǒng)泵站存在的一些缺點(diǎn),并能為清水和污水提供足夠的勢(shì)能和壓能,因此具有很高的工程應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值[2]。作為一個(gè)復(fù)雜的流體動(dòng)力系統(tǒng),一體化預(yù)制泵站泵內(nèi)不良流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致泵產(chǎn)生振動(dòng)、氣蝕、噪聲,并且降低泵的能量性能。當(dāng)一體化預(yù)制泵站應(yīng)用于提升污水時(shí),內(nèi)部的介質(zhì)為兩相甚至更多相流動(dòng),在筒體底部可能出現(xiàn)沉積現(xiàn)象[3-4]。若雜質(zhì)進(jìn)入輸送泵,則泵可能造成泵過(guò)流部件磨損。若泵流道設(shè)計(jì)不合理或泵運(yùn)行參數(shù)不在理想范圍內(nèi),則泵流道內(nèi)可能發(fā)生阻塞,嚴(yán)重威脅整個(gè)泵站的穩(wěn)定性。通常采用數(shù)值模擬方法對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析,從而判別筒體底部形狀設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

針對(duì)一體化預(yù)制泵站筒體內(nèi)部有污泥沉積,且在長(zhǎng)期沉淀后導(dǎo)致硫化氫等有害氣體聚集,進(jìn)而威脅到下井維護(hù)人員的人身安全問(wèn)題,筆者對(duì)一體化預(yù)制泵站進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真分析,研究在污水泵提升污水時(shí)運(yùn)行流態(tài)是否穩(wěn)定均勻,有無(wú)湍流或旋渦沉淀現(xiàn)象,從而盡可能避免中毒事件發(fā)生,同時(shí)也為企業(yè)提供筒體的設(shè)計(jì)參考。筆者以廣東某公司提供的LY-GRP一體化預(yù)制泵站為例,基于ANSYS軟件對(duì)一體化預(yù)制泵站進(jìn)行流體仿真分析。該一體化預(yù)制泵站筒體直徑為3 500 mm,高為9 300 mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 理論分析

一體化預(yù)制泵站內(nèi)部的流態(tài)優(yōu)劣取決于污水泵進(jìn)水口的入流條件。在污水泵提升污水時(shí),應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法分析一體化預(yù)制泵站筒體內(nèi)部的流場(chǎng),以此來(lái)觀察泵站的運(yùn)行流態(tài)。筆者采用國(guó)際上運(yùn)用廣泛的ANSYS有限元分析軟件,對(duì)一體化預(yù)制泵站進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析,過(guò)程主要包括三維造型、網(wǎng)格劃分、前處理、流場(chǎng)求解、后處理五個(gè)階段[5]。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析流程如圖2所示。

泵站內(nèi)流體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒定律,這些定律可以用相應(yīng)的控制方程進(jìn)行描述。筆者分析的泵站,內(nèi)部流體流動(dòng)為三維不可壓縮湍流流動(dòng)。對(duì)于湍流,在工程上廣泛采用的方法是對(duì)瞬態(tài)納維-斯托克斯方程進(jìn)行時(shí)均化,同時(shí)補(bǔ)充其它方程來(lái)反映湍流特性,組成封閉方程組后再進(jìn)行求解[6-7]。分析時(shí),采用RNGk-ε模型對(duì)湍流進(jìn)行求解,這是對(duì)瞬態(tài)納維-斯托克斯方程進(jìn)行重整化群數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來(lái)的模型,精度較高,在流線曲率大、有旋渦及旋轉(zhuǎn)的葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)中更加適用[8-10]。

3 仿真分析

采用SolidWorks三維軟件對(duì)一體化預(yù)制泵站過(guò)流區(qū)域進(jìn)行三維模型建造,三維模型如圖3所示。

一體化預(yù)制泵站內(nèi)的流體為連續(xù)流動(dòng)的流體,直接求解泵站內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的流體難度很大。因此,在使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真之前,需要借助網(wǎng)格劃分將連續(xù)流動(dòng)的流體離散化,并求解離散化方程組,這樣可以大大降低數(shù)值計(jì)算難度,并提高求解精度。在ANSYS軟件中對(duì)整個(gè)流體進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,如圖4所示,并對(duì)泵出水管道葉輪區(qū)域進(jìn)行局部加密。

采用ANSYS CFX流體分析及仿真軟件對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析。根據(jù)泵站內(nèi)部流體流動(dòng)的特點(diǎn)和對(duì)計(jì)算結(jié)果收斂性的預(yù)期,將泵站進(jìn)口流速設(shè)置為恒定速度,將出口流速設(shè)置為自由流出,葉輪與靜止部件間的交界面設(shè)置為轉(zhuǎn)子凍結(jié),其余固體壁面均設(shè)置為光滑無(wú)滑移壁面條件。同時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)水泵進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析,觀察流場(chǎng)分布。水泵啟動(dòng)時(shí)的計(jì)算域如圖5所示。

筒體內(nèi)部三維流場(chǎng)分布如圖6所示。通過(guò)泵站在啟動(dòng)狀態(tài)下筒體內(nèi)部三維流線及速度矢量分布,可以看出水流從泵站進(jìn)口流入后,均勻流向水泵兩側(cè),水泵吸入口的入流未出現(xiàn)明顯湍流現(xiàn)象,水泵吸入口附近流速較大,具備較強(qiáng)的抽吸力。

為了更仔細(xì)地觀察筒體底部流場(chǎng),分別在筒體內(nèi)部前后不同位置設(shè)置截面,查看流線和矢量分布。前后不同位置截面如圖7所示,從前往后依次為 Y1～Y4 截面。前后不同截面流線圖如圖8所示,速度矢量分布如圖9所示。

筒體內(nèi)不同高度截面如圖10所示,從下往上依次為 Z1～Z4截面。查看不同高度截面上的流線及矢量分布,不同高度截面流線圖如圖11所示,不同高度截面速度矢量分布如圖12所示。

從圖11和圖12可以看出,泵站進(jìn)口偏向于水泵吸入口一側(cè)的水流流速均勻,幾乎不存在湍流,可以為葉輪提供良好的入流條件,為機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。泵入口附近流速較高,具有很強(qiáng)的抽吸力,有利于底部排污。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),一體化預(yù)制泵站內(nèi)部流動(dòng)均勻,泵入流條件較好,未出現(xiàn)明顯的不良流動(dòng)現(xiàn)象。底部流速較高,不會(huì)出現(xiàn)淤積危險(xiǎn),筒體形狀設(shè)計(jì)滿足要求,泵布置合理。建議運(yùn)行時(shí)啟用兩臺(tái)泵,可使筒體內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到最佳,在最大程度上提高機(jī)組的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。