豎井式貫流泵進出水流道優(yōu)化CFD仿真計算

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 崇州 611231; 2.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司,鄭州 450016)

0 引言

豎井貫流泵裝置將電機、齒輪箱安裝于鋼筋混凝土豎井內(nèi)[1],由于這種安裝形式具有進出水流道順直、水力損失小、工程投資少、泵站裝置效率高、結(jié)構(gòu)簡單等多重優(yōu)點[2],因此,被廣泛應(yīng)用在各種低揚程泵站中。周亞軍等[3]對豎井貫流泵裝置進出水流道進行數(shù)值模擬,分析提出一種最優(yōu)底部上翹角的出水流道優(yōu)化設(shè)計方案;孫衍等[4]采用三維湍流數(shù)值計算的方法,提出豎井式貫流泵裝置出水流道型線、進水流道高度寬度及型線等的優(yōu)化設(shè)計方案;陳松山等[5]通過泵裝置能量特性試驗得出豎井進水流道漸縮段采用橢圓型線有較好的性能;顏紅勤等[6]采用CFD技術(shù)對臥式泵站直管式出水流道不同型線進行數(shù)值模擬計算,對比得出不同方案下出水流道流態(tài)和水力損失影響;伴隨著計算流體力學(xué)(CFD)的長足發(fā)展,CFD技術(shù)更多地應(yīng)用于研究泵裝置的優(yōu)化設(shè)計[7];王福軍等[8]總結(jié)了泵站內(nèi)部流動分析過程中的各種模型,對水泵流動分析方法的最新研究成果進行總結(jié);陳加琦等[9]采用三維湍流數(shù)值模擬深入研究了不同工況下豎井貫流泵裝置水力特性;Lu et al[10]通過數(shù)值模擬對進水流道內(nèi)部流動的水力特性進行預(yù)測和分析,優(yōu)化進水流道的設(shè)計;朱紅耕等[11]運用數(shù)值計算方法模擬泵站進水流道內(nèi)部三維紊流,從而定性分析流道內(nèi)部流態(tài),計算出流道水力特性指標,進而優(yōu)選出進水流道設(shè)計方案;關(guān)醒凡等[12]在對貫流泵裝置模型優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上展開模型試驗,試驗結(jié)果表明貫流泵的性能指標比普通立式軸流泵更具優(yōu)勢,以此對實際工程總的泵站方案預(yù)選提供參考;楊雪林等[13]結(jié)合豎井貫流泵裝置流道的三維數(shù)值模擬優(yōu)化流道型線和模型試驗結(jié)果的驗證,表明優(yōu)化后的水泵裝置效率較高,并且水力性能較好;施偉等[14]經(jīng)過CFD和模型結(jié)果對比分析不同葉片角度下輸水泵站泵裝置的流動特性,指出在運行工況變化較大采用變角調(diào)節(jié)時要進行分析和優(yōu)化;周春峰等[15]就豎井長度、頭部和尾部型線對進出水流道的水力性能影響進行研究,并用模型試驗驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

本文的研究基于引江濟淮工程(河南段)趙樓豎井式貫流泵站,應(yīng)用CFD技術(shù)對泵站進、出水流道,葉輪,以及導(dǎo)葉內(nèi)的流動進行三維紊流數(shù)值模擬,比較確定進出水流道優(yōu)化方案,為大中型豎井式泵站的進、出水流道優(yōu)化提供理論參考。

1 泵站基本參數(shù)和優(yōu)化目標

1.1 基本參數(shù)

趙樓泵站安裝豎井貫流泵機組4臺套,葉輪直徑2 350 mm,葉輪轉(zhuǎn)速135 r/min,設(shè)計單機流量14 m3/s,本研究基于整體泵裝置應(yīng)用CFD技術(shù)對趙樓泵站進、出水流道,葉輪,以及導(dǎo)葉內(nèi)的流動進行三維紊流數(shù)值模擬,揭示泵裝置全流道水流流態(tài)及流動狀況,優(yōu)化進出水流道,并預(yù)測其水力性能。

1.2 流道水力優(yōu)化目標

泵站進出水流道形式需要結(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。

1.2.1 進水流道水力優(yōu)化目標

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB 50265-2010)要求[16],泵站進水流道布置應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)流道型線平順,各斷面面積沿程變化應(yīng)均勻合理;

(2)出口斷面處的流速和壓力分布應(yīng)比較均勻;

(3)進口斷面處流速宜取0.8 ～1.0 m/s;

(4)在各種工況下,流道內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生渦帶。

1.2.2 出水流道水力優(yōu)化目標

泵站出水流道布置應(yīng)符合下列規(guī)定[15]：

(1)與水泵導(dǎo)葉出口相連的出水室形式應(yīng)根據(jù)水泵的結(jié)構(gòu)和泵站總體布置確定;

(2)流道型線比較均勻,當量擴散角宜取8°～12°;

(3)出口流速不宜大于1.5 m/s,出口裝有拍門時,不宜大于2.0 m/s。

2 計算參數(shù)及邊界條件

圖1為趙樓泵站計算實體造型,包括進水延長段、進水流道、閘門槽、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道、閘門槽和出水延長段。其中,進出水延長段根據(jù)進水池及出水池的設(shè)計水位來確定。葉輪直徑為2 350 mm,葉片數(shù)為3片,導(dǎo)葉數(shù)為6片。

圖1 趙樓泵站全流道計算實體造型

本次計算采用分塊網(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)格剖分方法。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,屬于旋轉(zhuǎn)部件,其網(wǎng)格的質(zhì)量好壞會影響到計算結(jié)果的精確度,因而對葉輪和導(dǎo)葉采用自動網(wǎng)格剖分。在本次CFD計算分析中,在邊界層處部分物理參數(shù)存在梯度變化很大的情況,因此,需要對進出水流道邊界層處設(shè)置膨脹層以加密網(wǎng)格,從而能夠更精確地描述這些參數(shù)。最終,葉輪網(wǎng)格數(shù)為507萬,導(dǎo)葉為392萬,整體網(wǎng)格數(shù)量為1 875萬。

本次計算分別取進水延長段進口和出水延長段出口為整體計算域的進口和出口,進口邊界條件和出口邊界條件分別采用流量進口和壓力出流,進出水延長段水面采用剛蓋假定設(shè)置為symmetry。計算格式為一階迎風(fēng),收斂精度為10-4。本次計算流量范圍為8.4～18.2 m3/s。

3 性能預(yù)測模型

根據(jù)伯努利能量方程計算泵裝置凈揚程,泵裝置進水流道進口1-1與出水流道出口2-2的總能量差定義為泵站揚程,用式(1)表示：

(1)

等式右邊第一項為靜壓能水頭差;第二項為高程差;第三項為動能水頭差。

由式(1)計算得到流速場和壓力場,葉輪上左右的扭矩TP則可通過數(shù)值積分計算得來,由此,可預(yù)測泵裝置的效率。

因此,水泵裝置的效率為：

(2)

式中,TP為扭矩,ω為葉輪角速度。

4 計算方案

由于原型出水流道斷面收縮均勻,水力損失較小,而進水流道相較出水流道水力損失較大,而且進水流道出口與葉輪進口相銜接,所以,進水流道出口斷面流速均勻度及出流加權(quán)平均角的優(yōu)劣對水泵性能的發(fā)揮較為重要。

本次流道CFD優(yōu)化主要針對進水流道原型方案進行優(yōu)化,其中,方案1為原型方案,原型方案進水流道進口流速經(jīng)計算結(jié)果為0.83 m/s,符合規(guī)范要求。由于趙樓泵站進水流道內(nèi)部需要設(shè)置超聲波流量計進行測流,而超聲波流量計對測試斷面變化均勻度及流態(tài)有要求,所以,初步考慮將超聲波流量計安裝在進水流道閘門槽后方。為了保證超聲波流量計測試斷面變化規(guī)則,提高流量計測試精度,考慮在豎井中心位置不變情況下,將豎井頭部整體后移,從而形成方案2;為了進一步壓縮豎井頭部空間,將豎井頭部外輪廓線由漸變收縮曲線改為圓弧,從而形成方案3;方案3中豎井頭部及尾部形狀都設(shè)計成圓弧,考慮到豎井頭部及尾部圓弧段處斷面過渡較劇烈,將方案3中尾部圓弧段改為漸變收縮曲線,從而形成方案4;在保證超聲波流量計安裝及測流空間不變情況下,對方案4頭部進行優(yōu)化,由圓弧段改為漸變收縮曲線,從而形成方案5。

原型出水流道斷面面積過渡較為均勻,型線也較為均勻。同時,經(jīng)計算可知,原型出水流道當量擴散角為8.03°,出水流道出口流速為0.83 m/s,符合規(guī)范要求。所以采用原型設(shè)計出水流道方案進行計算分析。

具體方案見表1。

表1 方案對比

趙樓泵站進水流道設(shè)計方案如表2所示。

表2 趙樓泵站進水流道設(shè)計方案

表3為各方案下泵站軸流泵段(葉輪進口斷面前-導(dǎo)葉出口斷面后)的水力性能。對比5個方案,其中,方案2、方案3及方案5揚程稍高,效率方面方案1最優(yōu),其次是方案2。方案4及方案5由于將豎井尾部改為漸縮曲線,相當于延長了豎井尾部長度,導(dǎo)致葉輪軸功率增大,效率降低。綜合考慮泵段性能及超聲波流量計安裝要求,方案2最優(yōu)。 表3 設(shè)計流量工況下泵段的能量特性

5 流道優(yōu)化結(jié)果分析

5.1 進水流道水力優(yōu)化分析

5.1.1 進水流道流態(tài)分析

在不帶泵工況下,對不同方案進水流道進行五個流量工況下的數(shù)值模擬計算,并對進水流道內(nèi)部流態(tài)、水力損失、進水流道出口斷面流速均勻度及加權(quán)平均角進行分析。

圖2為方案1分別在8.4 m3/s、11.2 m3/s、14 m3/s、15.4 m3/s、18.2 m3/s流量工況下進水流道內(nèi)的三維流線示意。結(jié)果表明,在各流量工況下,方案1中進水流道內(nèi)流線均較為平順,隨著流道型線收縮,流道內(nèi)流速逐漸增大,流道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不良流態(tài),但豎井尾部由于圓弧段收縮較快,斷面過渡稍劇烈,流速存在一定的突降。

(a)流量8.4 m3·s-1

(e)流量18.2 m3·s-1

圖3為方案1分別在8.4 m3/s、11.2 m3/s、14 m3/s、15.4 m3/s、18.2 m3/s流量工況下進水流道斷面流速分布云圖。計算表明,在各流量工況下,方案1中進水流道內(nèi)豎井段斷面流速分布呈現(xiàn)出左右對稱,水流在進入豎井段后的圓環(huán)形流道斷面后,斷面流速上下及左右都對稱分布。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。

(a) 8.4 m3·s-1

(e) 18.2 m3·s-1

結(jié)果表明,5個方案中進水流道內(nèi)流線均較為平順,隨著流道型線收縮,流道內(nèi)流速逐漸增大,流道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不良流態(tài)。原型方案、優(yōu)化方案1豎井尾部由于圓弧段收縮較快,斷面過渡稍劇烈,流速存在一定的突降;優(yōu)化方案2較原型方案、優(yōu)化方案1豎井頭部由漸變收縮變?yōu)閳A弧收縮,斷面過渡較劇烈;優(yōu)化方案3較優(yōu)化方案2豎井尾部改為漸縮曲線,可以看出豎井尾部過渡更為均勻,流速分布較均勻;優(yōu)化方案4相較優(yōu)化方案3,由于豎井頭部也改為漸縮曲線,可以看出豎井頭部及尾部過渡更為均勻,流道內(nèi)流線流速分布更均勻。

計算表明,5個方案中進水流道內(nèi)豎井段斷面流速分布呈現(xiàn)出左右對稱,水流在進入豎井段后的圓環(huán)形流道斷面后,斷面流速上下及左右都對稱分布。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。優(yōu)化方案2豎井頭部斷面及尾部斷面流速分布與原型方案及優(yōu)化方案1相比稍不均勻,進水流道出口斷面上下部分出現(xiàn)流速分布不對稱;由于優(yōu)化方案3豎井尾部改為漸縮曲線,相比之前3個方案豎井尾部斷面流速分布,尾部斷面面積減小,流速更大,尾部斷面流速出現(xiàn)不均勻;優(yōu)化方案4相較優(yōu)化方案3由于豎井頭部也改為漸縮曲線,所以豎井尾部流速變化更加均勻?qū)ΨQ。

5.1.2 進水流道水力性能分析

(1)水力損失

圖4為不同進水流道優(yōu)化方案在8.4 m3/s、11.2 m3/s、14 m3/s、15.4 m3/s、18.2 m3/s流量工況下進水流道水力損失對比。由圖4可知,方案5由于豎井頭部及尾部型線為漸縮曲線型式,所以斷面過渡更均勻,流道水力損失也更小。方案3由于豎井頭部及尾部型線為圓弧曲線型式,斷面過渡更劇烈,所以損失最大。

圖4 不同進水流道優(yōu)化方案水力損失對比

圖5 不同進水流道優(yōu)化方案出口斷面軸向流速分布均勻度對比

圖6 不同進水流道優(yōu)化方案出口斷面速度加權(quán)平均角對比

(2)軸向速度分布均勻度

根據(jù)計算和模擬結(jié)果,對比5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),5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,其中在設(shè)計流量14 m3/s工況下,方案2的軸向速度分布均勻度為93.33%,為5個方案之中最好;方案1的軸向速度分布均勻度則相對較差,為92.86%。

(3)速度加權(quán)平均角

根據(jù)計算和模擬結(jié)果,對比5個不同方案下進水流道出口斷面的速度加權(quán)平均角可以發(fā)現(xiàn),5個方案的進水流道出口斷面的速度加權(quán)平均角相差不大,其中,在設(shè)計流量工況下,方案1的速度加權(quán)平均角最好,為87.02°;方案3的速度加權(quán)平均角相對較差,為86.78°。主要由于方案1中進水流道的豎井長度最長,水流角度調(diào)整最好,所以方案1的速度加權(quán)平均角最優(yōu)。

綜上所述,對比5個不同的進水流道方案水力特性可以發(fā)現(xiàn),5個方案的進水流道內(nèi)部水流流態(tài)都較均勻。但對比5個方案的水力損失可以看出,方案1的流道水力損失最大,方案5的流道水力損失最小,其次是方案4,主要是因為方案4和方案5豎井尾部采用漸縮曲線型式,能夠較好調(diào)整水流流態(tài);對比5個方案的流道出口軸向速度分布均勻度可以看出,方案2最優(yōu),方案1最差;對比5個方案的流道出口速度加權(quán)平均角可以看出,方案1最優(yōu),方案3最差,但由于流道內(nèi)需要安裝超聲波流量計,所以需要盡可能減小豎井長度對流量計的影響。綜合考慮,未帶泵工況下,方案2和方案5中進水流道水力性能更優(yōu)。

5.2 出水流道水力優(yōu)化分析

圖7為出水流道在設(shè)計流量14 m3/s下內(nèi)部水流流態(tài)。由圖7可知,出水流道內(nèi)部水流流態(tài)較好,速度分布較均勻,經(jīng)計算,出水流道在設(shè)計流量下水力損失為0.096 m。綜上所述,出水流道型線合理,水力性能較優(yōu)。

(a)流線圖

(b)速度云圖

5.3 泵段能量性能預(yù)測

6 結(jié)論與建議

(1)通過分析方案2進水流道平均流速及斷面面積變化曲線圖,方案2斷面面積及斷面平均流速變化均勻。同時,對比不帶泵工況下5個進水流道方案的水力特性,方案2和方案5的綜合性能較優(yōu)。綜合5個進水流道方案下的泵段性能分析,方案2綜合性能最優(yōu),方案1效率較高,但是方案1豎井長度較長,容易影響超聲波流量計測試精度,同時,考慮土建,豎井長度可縮短。方案2的泵裝置設(shè)計流量下凈揚程及效率滿足要求,故推薦方案2進水流道型式。

(2)方案2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93.33%,出口斷面速度加權(quán)平均角達86.90°。

(3)通過分析原型出水流道平均流速及斷面面積變化曲線,出水流道的斷面面積及斷面平均流速變化均勻,并且水力損失較

小。綜合出水流道水力特性來看,原型出水流道水力性能較優(yōu),故推薦原型出水流道型式。

綜上所述,建議進水流道采用方案2型式,出水流道采用原型方案。