李 娜，王 杰(. 中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 00054；. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)北京市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全與節(jié)能工程技術(shù)研究中心，北京 00083)

泵站是水利工程最重要的組成部分之一[1]，我國現(xiàn)有450處大型排灌泵站，中小型排灌泵站更是得到廣泛建設(shè)[2]。國內(nèi)外關(guān)于泵站的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果。一般都是把進出水建筑物從泵站其他裝置中分離出來作為單獨的研究對象。泵站進出水流道方面[3-5]，國外最早可追溯于20世紀三四十年代，Kerr和Moyer對軸流泵進水池流態(tài)進行了研究；50年代，Iversow等對火電站大型泵站的進水池的漩渦運動進行了研究；七八十年代，各國學(xué)者采用湍流模型來研究流場內(nèi)的流動；朱紅耕等[6]對大型泵站肘形進水流道三維紊流仿真計算進行了研究；陸林廣等人[7,8]采用數(shù)值模擬的方法研究了進水池的幾個參數(shù)對其水力性能的影響及分析了不同進水池的內(nèi)部流動情況。為流道水力設(shè)計優(yōu)化和模型試驗提供了依據(jù)。這樣的研究與真實的流動存在一定的誤差。在泵站的選型及設(shè)計中，還沒有進行過全流道的CFD仿真計算及分析。對整個泵站系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，能更為準確地分析出泵站系統(tǒng)內(nèi)流場的情況，從而為提高泵站效率及機組的穩(wěn)定運行提供一定的理論基礎(chǔ)。

整個泵站裝置系統(tǒng)進行模擬時所需要計算的網(wǎng)格數(shù)量十分巨大，采用CFD并行計算來進行模擬。并行計算分為本地并行計算及分布式并行計算。本地并行計算操作簡單，易于實現(xiàn)，但受計算機本身硬件條件限制較大，對網(wǎng)格規(guī)模上千萬的流場計算，將耗費較多時間。分布式并行能夠調(diào)用的CPU數(shù)量以及內(nèi)存都可增加，不受單一工作站硬件條件限制，可以使計算能力大大提高，減小計算時間。分布式并行計算需要涉及的如RSH、SSH等協(xié)議較多，不同工作站之間的數(shù)據(jù)交換依賴網(wǎng)卡綁定技術(shù)，并依賴于交換機類型，所需要解決的外在計算機問題較多。在此背景基礎(chǔ)上，本文建立了實際尺寸三維流道模型，通過ICEM CFD對全流道進行網(wǎng)格計算劃分，利用ANSYS CFX實現(xiàn)了泵站裝置系統(tǒng)全流道的并行計算，并分析了計算結(jié)果。

1 CFD計算模型簡介

本文以某大型泵站為研究對象，計算模型為整個泵站裝置系統(tǒng)，其中包括前池、進水池、進水管路、水泵、閥門、出水壓力管、出水池等。進水池設(shè)計水位19.50 m，出水池設(shè)計水位69.70 m，設(shè)計靜揚程50.2 m，設(shè)計流量30 m3/s。安裝水泵機組5臺(設(shè)計4工1備)，主水泵為單級雙吸離心泵，進口直徑1 000 mm，出口直徑900 mm，單泵設(shè)計流量3.75 m3/s，設(shè)計揚程53.2 m，轉(zhuǎn)速594 r/min。

1.1 三維模型建立

利用NX UG對泵站系統(tǒng)建立三維物理建模。泵站裝置系統(tǒng)包括前池進水池、泵進水管、水泵吸水室、水泵葉輪、水泵壓水室、泵出水管、壓力水箱、爬山管、出水池。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM CFD對泵站全流場進行網(wǎng)格劃分，對泵站裝置系統(tǒng)采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格劃分結(jié)果 個

1.3 數(shù)值計算基本設(shè)置

利用ANSYS CFX進行泵站系統(tǒng)全流道CFD計算，流場為泵站裝置系統(tǒng)全流道，流場進口給定進口流量，流場出口給定出口靜壓0，水泵葉輪流域與水泵吸水室壓水室相接部分定義為固定-旋轉(zhuǎn)交界面。進水池與出水池池頂定義為對稱邊界，其余為無滑移壁面。以4臺泵并聯(lián)運行為例，進口流量7 500 kg/s，旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速594 r/min。選用k-ε湍流模型進行模擬。

本文使用戴爾PRECISION T5610工作站進行計算，CPU為英特爾至強系列E5-2630 v2，采用本地并行計算。

2 模擬計算結(jié)果及分析

2.1 并行計算效率比較

并行加速比S與并行效率E為并行計算效率的評價標(biāo)準。

若串行處理(單CPU)時計算所用時間為t0，并行處理時計算所用時間為tn，并行采用的CPU數(shù)量為N。

則并行加速比S=t0/tn，在理想狀態(tài)下S=N，并行效率E=t0/(Ntn)=S/N。

以4臺泵并聯(lián)運行為運行工況，以12核CPU、10核CPU、8核CPU、6核CPU、4核CPU分別計算，進行2 000步計算，以10核為例，計算時CPU占用率及所用時間如表2所示。

表2 并行計算相關(guān)數(shù)據(jù)

以4核CPU計算所用時間為計算基準得表3所示并行加速比與并行效率。

表3 并行加速比與并行效率

由表3可知，在8核CPU參與計算時，得到最高并行效率，此時計算機綜合性能發(fā)揮最佳。

2.2 水泵外特性分析

對4臺泵并聯(lián)運行至1臺泵單獨運行的情況分別進行相關(guān)數(shù)據(jù)的計算采集，以4臺泵并聯(lián)運行為例(見表4、圖1)，單泵模擬計算結(jié)果：揚程56.915 m，流量3 750 kg/s，效率90.5%。

表4 水泵揚程、流量、裝置效率

對同一組運行時多臺并聯(lián)運行的水泵進行橫向比較，以4臺與3臺泵并聯(lián)為例，見圖1。

圖1 泵站裝置系統(tǒng)模擬水泵揚程流量關(guān)系

根據(jù)上述水泵揚程、流量的橫向?qū)Ρ汝P(guān)系圖，得到：①泵站裝置系統(tǒng)模擬運行情況下所得水泵揚程，均大于單泵模擬情況下水泵揚程，最大差值為0.415，且相對差值<1%；②由4臺泵并聯(lián)運行流量揚程關(guān)系圖以及3臺泵并聯(lián)運行流量揚程關(guān)系圖可知，流量關(guān)于進水池中軸線3號泵對稱分布，相應(yīng)水泵揚程也對稱分布。

2.3 水泵內(nèi)特性分析

水泵流線圖、速度、壓力分布如圖2所示。圖2展示了水泵工作時內(nèi)部流動中的流線及速度和壓力分布。從圖2(a)觀察可得，水泵在設(shè)計工況下流線均勻，無明顯漩渦。從圖2(b)及圖2(c)觀察可得，水泵葉片周圍速度及壓力分布均勻，但隔舌部分有明顯的高壓區(qū)。水泵整體運行情況良好。

圖2 水泵流線、速度及壓力分布

2.4 進水池流態(tài)分析

進水池高度為8 100 mm，以進水池池頂為基面，作水平截面。在吸入口面所在位置及其上下作參考截面，取距池頂深度4 000、6 000、7 050、7 550 mm作水平截面。以池頂為基面，所做截面的流態(tài)流線圖如圖3所示。

圖3 進水池水平截面流線

圖3展示了進水池由高到低5個水平截面中，水流的流動方向與流動狀態(tài)。由從圖3(a)到圖3(d)的順序觀察可得，與進水管水流流動方向相同的區(qū)域越來越大，回流區(qū)越來越小。深度4 000 mm，位于進水管中軸線上，沿進水流動方向區(qū)域變大，在入口來流的兩側(cè)，水流受到回流區(qū)水流影響，偏離來流方向；深度6 000 mm，在進水管以下，沿進水管進水流動方向流動區(qū)域明顯增大，且與回流區(qū)域的交界面產(chǎn)生了明顯的橫向流動，可看見明顯的分界面；深度7 050 mm，與水泵進水管進水面在一個平面中，沿進水管來流方向區(qū)域變的更大，且流動狀態(tài)較為均勻；深度7 550 mm，靠近池底，深度深于水泵進水管入水面，除了在沒有進水管進水流動位置處產(chǎn)生碰壁回流外，所有流動方向都與進水管來流方向一致。

由于進水池出口面面積與其他固壁邊界面積相比很小，所以大部分在水泵進水管入口面以上的水流由于碰到進水池墻壁而反彈回流，與向鄰近的水流相互影響，在回流區(qū)域進水管進水區(qū)相遇，有明顯的流向偏轉(zhuǎn)，在回流區(qū)域與進水池靠近底部流入水泵進水管入口的水流相遇，產(chǎn)生明顯漩渦。

對4臺泵并聯(lián)運行至1臺泵單獨運行情況下，同一高度截面處的進水池流態(tài)進行橫向?qū)Ρ取＿x取參考截面距池頂深度為7 050 mm，與水泵進水管入口的深度相同。

由圖4可知：在1臺泵單獨運行的情況下，除了水泵進水管入口處附近流動方向朝向水泵外，其余區(qū)域全為回流區(qū)，在進水池相鄰的隔墩附近，產(chǎn)生明顯反彈與回流；從2臺泵并聯(lián)運行到4臺泵并聯(lián)運行，隨著運行泵數(shù)量的增多主流區(qū)面積越來越大，水泵進水管附近流態(tài)逐漸變好，漩渦與回流減少。

綜上所述，根據(jù)水泵開機數(shù)量等具體工況的不同，進水池內(nèi)部流態(tài)發(fā)生有規(guī)律、漸變性的改變。參與運行的泵數(shù)量越多，回流面積越小，主流區(qū)面積越大，進水池內(nèi)漩渦繞流越少，流動狀態(tài)越均勻。

3 結(jié) 語

泵站裝置系統(tǒng)模擬與各裝置單獨模擬結(jié)果存在差異，泵站裝置系統(tǒng)模擬更接近實際流動。在泵站裝置系統(tǒng)模擬中，水泵與進水池相對位置不同時，流量、揚程與效率不同，相對差值在1%以內(nèi)。由流動分析可知，進水池存在大面積回流區(qū)域，開機水泵數(shù)量越多，進水流量越大，回流區(qū)面積越??；水深越深，越接近水泵進水管進水面，回流區(qū)面積越小。進水池的流動不良狀態(tài)會導(dǎo)致水泵進水管進口速度分布不均。

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圖4 7 050 mm深度截面流態(tài)

[1] 陳 堅. 對新時期我國泵站工程某些問題的再認識[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2004,(4):71-72.

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