俞龍祥

（揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司 揚州 225000）

1 工程概況

儀征市宣云站位于江蘇省儀征市陳集鎮(zhèn)，是一座梯級提水泵站，系儀征市塘田灌區(qū)的二級站。該泵站設(shè)計流量為 3.5m3/s，安裝 2臺500HW-7臥式混流泵和3臺650HW-7臥式混流泵，其中一臺備用。該站吸水管進(jìn)水口擬選用平管口、直管口、豎管口3種安裝方式中的一種，其安裝方式參見圖1、圖2、圖3。

圖1 平管口安裝示意圖

圖2 直管口安裝示意圖

圖3 豎管口安裝示意圖

2 研究目的

水泵從進(jìn)水池中吸水，需合理確定水泵吸水管的管口安裝方式、淹沒深度和懸空高度，使吸水管內(nèi)部有良好的流態(tài)，為水泵提供較好的進(jìn)水條件，從而充分發(fā)揮水泵本身裝置的能量性能和汽蝕性能，保證水泵裝置安全、高效和經(jīng)濟(jì)地運行。如何保證水泵的進(jìn)水條件，提高泵站的運行效能，水泵吸水管的內(nèi)部流態(tài)是應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素，這也是對進(jìn)水池及吸水管進(jìn)行CFD研究的目的所在。

3 進(jìn)水池及吸水管CFD計算數(shù)學(xué)模型

3.1 進(jìn)水池及吸水管三維立體造型和網(wǎng)格剖分

采用商業(yè)軟件 FLUET中的前處理器 Gambit和大型工業(yè)三維造型軟件Pr o/E，建立進(jìn)水池及吸水管三維立體造型和網(wǎng)格剖分，并采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分計算域。

3.2 邊界條件的確定

進(jìn)口邊界取在距離吸水管道進(jìn)口足夠遠(yuǎn)的進(jìn)水池中；出口邊界取在靠近水泵進(jìn)口的吸水管水平段上，假定計算域出口截面上流動方向的坐標(biāo)是局部單向的，下游流動不再對上游產(chǎn)生任何影響；進(jìn)水池邊壁、吸水管管壁均按固壁處理，滿足無滑移條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)的紊流流動；由于進(jìn)水池內(nèi)的流速不大,采用靜水壓力假定,自由表面簡化為對稱平面處理。

針對宣云站的實際情況，為便于計算，確定其計算簡圖如圖4。

圖4 宣云站進(jìn)水池與吸水管布置簡化計算圖

3.3 建立和求解控制方程組

由于進(jìn)水池及吸水管中的水流速度很低，水的黏度和密度變化不大，可近似為不可壓縮，采用時均、不可壓、黏性、恒定流動的Navier-St okes方程，描述進(jìn)水池及吸水管中的內(nèi)部流動三維流場。

3.3.1 連續(xù)性方程

假定進(jìn)水池及吸水管中恒定、不可壓流動，建立連續(xù)性方程：

式中，u，v，w為速度矢量 U在 x，y，z3個坐標(biāo)上的投影。

3.3.2 動量方程

在水泵裝置進(jìn)、出水建筑物和水泵內(nèi)部流動的水流屬于紊流，采用如下方法確定動量方程。

（1）將非穩(wěn)態(tài)的控制方程對時間作平均處理；

（2）引進(jìn)Boussinesq渦黏性假設(shè)，即用一個假想的黏性系數(shù)和平均的速度梯度來計算雷諾應(yīng)力，從而將雷諾應(yīng)力的封閉問題轉(zhuǎn)化為渦黏性的求解。

對于恒定、不可壓流動，動量方程可寫成下列形式：

采用時均不可壓全三維 N-S方程描述進(jìn)水池及吸水管內(nèi)部的三維流動，其質(zhì)量守衡方程和動量方程可寫成下列形式：

3.3.3 確定紊流模型

采用 κε- 紊流模型封閉動量方程組，進(jìn)行數(shù)值計算。如下式：

其中， p r為紊動能生成率，

3.3.4 控制方程的離散與求解

采用控制體積法對控制方程進(jìn)行離散，壓力項采用標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行離散，動量、紊動能及紊動能耗散率均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。采用速度和壓力修正協(xié)調(diào)一致的 SIMPLEC 算法，分離式求解控制方程離散后各變量的代數(shù)方程組。

4 各管口安裝方式下的流動參數(shù)分析

針對懸空高h(yuǎn)1分別為0.6m和0.8m的工況，運用CFD理論中的有關(guān)公式進(jìn)行計算，得出平管口、直管口、豎管口的縱剖面流速圖和吸水管在比較斷面上的軸向流速等有關(guān)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行整理后，形成了表1、表2。

表1 平管口、直管口和豎管口安裝方式下流動參數(shù)（h1=0.6m）

表2 平管口、直管口和豎管口安裝方式下流動參數(shù)（h1=0.8m）

4.1 懸空高h(yuǎn)1=0.6m時的流動參數(shù)比較分析

表1表明，平管口與直管口安裝方式在0.6m懸空高情況下，直管口安裝方式具有較好的內(nèi)部流態(tài)，橫向流速較小，有較好的吸水能力和較小的水力損失。

直管口與豎管口安裝方式相比，在豎管口安裝方式下，比較斷面上的軸向流速分布均勻度略好，吸水能力稍小，但單位質(zhì)量時的水力損失較小。

而相對平管口而言，豎管口安裝方式具有較好的內(nèi)部流態(tài)，橫向流速較小，有較好的吸水能力和較小的單位水力損失。但需要注意的是，在進(jìn)水池水深一定的情況下，吸水管口懸空高與淹沒深互相牽制，即懸空高增加，淹沒深減小，反之亦然。豎管口上緣的淹沒深度為0.91m，比平管口減小了0.49m，因此，還應(yīng)考慮可能引起的水面渦對吸水性能的影響。

4.2 懸空高h(yuǎn)1=0.8m時的流動參數(shù)比較分析

表2中的數(shù)據(jù)顯示，懸空高度h1從0.6m提高至 0.8m時，平管口與直管口的比較斷面的軸向流速分布均勻度均有所下降，偏流角有所增大，平管口的流速分布均勻度下降稍大，但直管口安裝方式下吸水管內(nèi)具有較好的內(nèi)部流態(tài)，吸水能力超過平管口安裝方式下的3.16%。

懸空高度h1從0.6m增加至0.8m后，平管口比較斷面的軸向流速分布均勻度稍微增加，水力損失有所減小，變化幅度均有限；豎管口軸向流速分布均勻度略微減少，水力損失有所增加，已反超相同懸空高平管口的水力損失。從水力損失角度看，增加懸空高對管口安裝方式不利，而豎管口上緣的淹沒水深約為1.0倍吸水管直徑，接近正常設(shè)計情況下的臨界值，因此，沒有必要再繼續(xù)增加懸空高，做進(jìn)一步吸水性能差異研究。

5 結(jié)論

通過對平管口、直管口和豎管口等三種吸水管口安裝方式下的進(jìn)水池與吸水管的流態(tài)、速度分布、水力損失等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，可得出如下結(jié)論：

（1）在相同的進(jìn)水條件下，直管口管口進(jìn)水流態(tài)最好，幾乎沒有脫流，平管口和豎管口進(jìn)水流態(tài)較差，進(jìn)口有脫流和明顯的低速區(qū)；

（2）在相同的進(jìn)水條件和不同的淹沒深度或懸空高情況下，豎管口有較強的吸水能力，直管口的吸水能力次之，平管口的吸水能力最弱。就單位質(zhì)量水力損失而言，直管口和豎管口安裝方式有一定的優(yōu)勢。

（3）在相同的進(jìn)水條件下，平管口、直管口和豎管口三種安裝方式，比較斷面的軸向流速分布均勻度都比較高，橫向流速較小。

綜合進(jìn)水池和吸水管的進(jìn)水條件、內(nèi)部流態(tài)、比較斷面的流速分布、吸水管路的水力損失等因素，確定儀征市塘田灌區(qū)宣云站吸水管口安裝方式采用直管口安裝方式，懸空高取值0.8m，這樣既能保證水泵吸水管有較好的進(jìn)水流態(tài)和吸水能力、較均勻的速度分布，又能以較小的吸水管路水力損失，為水泵提供良好的進(jìn)水條件，發(fā)揮正常的能量特性和汽蝕特性，從而有效提高宣云站的經(jīng)濟(jì)效益和工程效益。

6 建議

目前CFD數(shù)值分析在工程領(lǐng)域方面的應(yīng)用已經(jīng)開展，但在水利工程或灌區(qū)改造項目中實際應(yīng)用還較少。因此，本文對泵站進(jìn)水管口選擇的研究，是在這方面進(jìn)行的有益嘗試，但是，相關(guān)的應(yīng)用研究還有很大的拓展空間，值得作進(jìn)一步地應(yīng)用研究。

1 儀征市水務(wù)局.儀征市塘田灌區(qū)改造工程可行性研究報告.

2 揚州大學(xué)、儀征市水務(wù)局.宣云站吸水管口安裝方式研究報告.

3 劉超.水泵及水泵站[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003：144-150.

4 成立,劉超,薛堅. 泵站進(jìn)出水流道優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)研究[J].水泵技術(shù),2007(3)：39-42.