望江縣合成圩幸福河南站水泵進水流道的優(yōu)化設(shè)計

方 興

（安徽省安慶市望江縣水利局，安徽 安慶 246200）

0 引言

隨著計算機硬件發(fā)展和計算方法的改進，CFD（計算流體動力學(xué)）技術(shù)正逐步成為泵站水力設(shè)計的重要手段。泵站進出水流道型式需要結(jié)合泵型、泵房布置、泵站揚程及進出水池水位變化幅度等因素進行確定。泵站進出水流道CFD優(yōu)化計算研究，是在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，在給定的水位資料和土建控制尺寸范圍內(nèi)，根據(jù)原型泵主要設(shè)計參數(shù)，開展進出水流道優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)進出水流道CFD優(yōu)化設(shè)計[1-3]。

1 工程概況

望江縣合成圩位于望江縣城東南部，華陽河出口上游處，東南側(cè)臨長江，西南隔華陽河與本縣的四合圩相望，西北為寶塔河，東北隔老東隔堤與武昌湖流域六零圩相鄰，總面積92.18 km2。

新建幸福河南站位于同馬大堤90+060處，為大（2）型泵站，設(shè)計流量96.9 m3/s，共選用6臺2200HLB立式（導(dǎo)葉式）混流泵，配套TL2200-30型同步電動機，單機功率2 200 kW，總裝機功率13 200 kW。

泵房內(nèi)布置6臺全調(diào)節(jié)立式混流泵。電動機與水泵同軸，采用法蘭直連。泵組進口配置肘形進水流道與進水池相連，出口彎管式出水流道接出水圓變方漸變鋼管、鋼筋混凝土漸變方管、事故快速閘門、側(cè)翻式拍門、壓力匯水箱、出水箱涵、防洪閘后與外江相連。

2 計算參數(shù)及邊界條件

圖1為幸福河南站進出水流道的計算實體造型圖，包括進水延伸段、肘形進水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道、出水箱涵和出水延伸段。本次計算采用的葉輪型號為TJ11-HL-04，葉輪直徑為2 200 mm，葉片數(shù)為3片，導(dǎo)葉數(shù)為7片。

圖1 幸福河南站計算實體造型

圖2 幸福河南站計算域示意圖

計算采用分塊網(wǎng)格計算，對復(fù)雜的計算模型進行分塊并采用不同的網(wǎng)格部分方法[4，5]。葉輪和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中流場變化急劇，特別是葉輪，因而對葉輪和導(dǎo)葉采用自動網(wǎng)格剖分。最終，葉輪網(wǎng)格數(shù)為498萬，導(dǎo)葉為401萬，整體網(wǎng)格數(shù)量為3 186萬。

計算格式為一階迎風(fēng)，收斂精度為10-4。本次計算流量0.6Q設(shè)、0.8Q設(shè)、Q設(shè)、1.2Q設(shè)、1.4Q設(shè)，范圍為9.7~22.6 m3/s。

3 流道優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 進水流道水力優(yōu)化

對不同方案進水流道進行0.6Q設(shè)、0.8Q設(shè)、Q設(shè)、1.2Q設(shè)、1.4Q設(shè)共5個流量工況下進行數(shù)值模擬計算，并對肘形進水流道內(nèi)部流態(tài)、水力損失以及進水流道出口斷面流速均勻度及加權(quán)平均角進行分析[6]。

表1 進出水流道設(shè)計方案

3.1.1 進水流道流態(tài)分析

（1）方案1流態(tài)

方案1在不同流量工況下進水流道內(nèi)的三維流線結(jié)果表明，在各流量工況下，肘形進水流道內(nèi)流線均較為平順，流道彎曲漸縮段上邊線附近速度明顯大于下邊線，未發(fā)現(xiàn)不良流態(tài)。

方案1在22.6 m3/s流量工況下進水流道中心剖面流速分布計算表明，在各流量工況下，進水流道內(nèi)壓力均沿著剖面中心線方向遞減，隨著進水流道斷面面積減小，流速逐漸增大，進水流道出口斷面流速分布較均勻。

（2）方案2流態(tài)

方案2在22.6 m3/s工況下進水流道內(nèi)的三維流線計算結(jié)果表明，在各流量工況下，進水流道內(nèi)的流線較為平順，未發(fā)現(xiàn)明顯不良流態(tài)，流線較為均勻。

方案2在22.6 m3/s流量工況下進水流道斷面流速分布計算表明，在各流量工況下，優(yōu)化流道13~20斷面尺寸后，隨著進水流道斷面面積減小，流速逐漸增大。

（3）方案3流態(tài)

方案3在22.6 m3/s流量工況下進水流道內(nèi)的三維流線結(jié)果表明，在各流量工況下，優(yōu)化流道13~20斷面尺寸后，肘形進水流道內(nèi)流線平順，流道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不良流態(tài)。

方案3在22.6 m3/s流量工況下進水流道斷面流速分布計算表明，在各流量工況下，優(yōu)化流道13~20斷面尺寸后，隨著進水流道斷面面積減小，流速逐漸增大，進水流道出口斷面流速分布均勻。同時，進水流道出流均勻，可給水泵提供較好的入流條件。

（4）方案4流態(tài)

方案4在22.6 m3/s流量工況下進水流道內(nèi)的三維流線結(jié)果表明，由于在方案3的基礎(chǔ)上，肘形進水流道內(nèi)部新增設(shè)了長為6 m的中隔墩，流道內(nèi)部流線更為平順，流道內(nèi)流體運動十分規(guī)律，流道彎曲漸縮段上邊線附近速度明顯大于下邊線，至流道出口。此時，流速分布已調(diào)整得非常均勻。

方案4在22.6 m3/s流量工況下進水流道斷面流速分布計算表明，各流量工況下，進水流道流速分布更為均勻，可給水泵提供較好的入流條件。

3.1.2 進水流道水力性能分析

采用水力損失?h、出口軸向速度分布均勻度Vu以及入泵水流加權(quán)平均角θ對進水流道水力性能進行評價。

（1）水力損失

將不同進水流道方案在9.7 m3/s、12.9 m3/s、16.15 m3/s、19.4 m3/s、22.6 m3/s流量工況下進水流道水力損失對比。結(jié)果表明，隨著流量增加，進水流道水力損失增加。但總體上各方案間水力損失差別較小，方案4進水流道內(nèi)加設(shè)中間隔墩對水力損失變化幾乎無影響，可以忽略。

（2）軸向速度分布均勻度

將不同進水流道方案在設(shè)計流量（Q=16.15 m3/s）工況下出口軸向速度分布均勻度對比。對比4個不同方案下進水流道出口斷面的軸向速度分布均勻度可以發(fā)現(xiàn)，4個方案的進水流道出口斷面的軸向速度分布均勻度相差不大。在設(shè)計流量工況下，方案4（含隔墩）的軸向速度分布均勻度最好，為91.26%；方案1的軸向速度分布均勻度相對較差，為90.27%。

（3）速度加權(quán)平均角

將不同進水流道方案在設(shè)計流量（Q=16.15 m3/s）工況下入泵水流加權(quán)平均角對比。對比4個不同方案下進水流道入泵水流加權(quán)平均角可以發(fā)現(xiàn)，4個方案的進水流道入泵水流加權(quán)平均角相差不大。在設(shè)計流量工況下，方案4（含隔墩）的速度加權(quán)平均角最好，為84.38°；方案1的速度加權(quán)平均角相對較差，為84.09°。主要由于方案4中進水流道的中間隔墩起到一定整流作用，水流角度調(diào)整最好，所以方案4的速度加權(quán)平均角θ最優(yōu)。

綜上所述，對比4個不同的進水流道方案水力特性可以發(fā)現(xiàn)，4個方案的進水流道內(nèi)部水流流態(tài)都較均勻。對比4個方案的水力損失可以看出，各方案間水力損失相差較小。主要是為了能夠較好調(diào)整水流流態(tài)，方案4增設(shè)了6 m的中間隔墩?？傮w來說，加設(shè)中間隔墩對水力損失變化幾乎無影響，可以忽略。

對比4個方案的流道出口軸向速度分布均勻度可以看出，方案4最優(yōu)，方案1相對較差；對比4個方案的流道入泵水流加權(quán)平均角可以看出，方案4最優(yōu)，方案1相對較差。綜合考慮，設(shè)計流量工況下，方案4中進水流道水力性能最優(yōu)。

3.2 進出水流道推薦方案

綜上，進水流道推薦采用方案4（含隔墩）作為最終方案，幸福河南站進水流道單線圖如圖3所示。

圖3 幸福河南站進水流道單線圖（最終方案）

為分析進水流道斷面面積和流速過渡情況，對進水流道平均流速及斷面面積進行計算。圖4為幸福河南站進水流道最終方案中流道斷面面積及平均斷面流速隨流道長度的變化曲線。由圖可知，變化曲線較為光滑，所以斷面變化較為均勻，流速未見明顯突變。

圖4 幸福河南站進水流道平均流速及斷面面積尺寸變化曲線

表2為最終方案（方案4）進水流道在設(shè)計流量工況（Q=16.15 m3/s）下性能參數(shù)表。由表可知，進水流道總體水力性能較好，來流均勻，水力損失較小，流道出口斷面軸向速度分布均勻度達(dá)91.26%，出口斷面速度加權(quán)平均角達(dá)84.38°，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

表2 幸福河南站進水流道性能參數(shù)

4 結(jié)論

（1）通過對比方案1、方案2、方案3及方案4肘形進水流道平均流速及斷面面積變化曲線圖，方案3、方案4曲線變化均勻。同時，通過5個流量工況下，泵裝置內(nèi)外特性對比，方案4進水流道流速分布較方案3更均勻，且方案4最高效率點效率較方案3高，故推薦方案4（有隔墩）。

（2）方案4（有隔墩）肘形進水流道總體水力性能較好，來流均勻，水力損失較小，流道出口斷面軸向速度分布均勻度達(dá)91.26%，出口斷面速度加權(quán)平均角達(dá)84.38°。

（3）采用CFD方法對幸福河南站工程進水流道進行了優(yōu)化分析，計算成果可能與實際情況存在一定的偏差，該泵站葉輪直徑達(dá)2 200 mm，為大型泵，建議用物理模型進一步驗證進口流道采用的線型。