楊曉紅

（江陰市水利工程公司，江蘇 江陰 214400）

箱涵式泵裝置的數(shù)值模擬研究

楊曉紅

（江陰市水利工程公司，江蘇 江陰 214400）

采用基于CFD數(shù)值模擬計(jì)算研究箱涵式泵裝置的水力性能，對(duì)泵裝置不同流量工況點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并分析。結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)工況下，泵裝置運(yùn)行效率較高，最高效率可達(dá)到70.04%，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為1.736m，最高運(yùn)行揚(yáng)程與最優(yōu)運(yùn)行揚(yáng)程比值達(dá)到2.3，說(shuō)明了該箱涵式泵裝置非常適用于揚(yáng)程變化較大的泵站，同時(shí)進(jìn)水流道的水力損失隨著流量的增加而增大，出水流道的水力損失隨著流量的增加先減小再增大，在設(shè)計(jì)工況附近出水流道水力損失最小。

箱涵式泵裝置；水力損失；數(shù)值計(jì)算

軸流泵站在城市防洪排澇、跨流域調(diào)水等工程中發(fā)揮了重要作用，而箱涵式泵裝置作為泵站的一種新型裝置型式，其性能直接關(guān)系到泵站的安全穩(wěn)定與高效運(yùn)行。圍繞著箱涵式泵裝置相關(guān)人員展開(kāi)了深入研究［1-5］， 楊帆［6-7］等圍繞箱涵式進(jìn)水流道的立式軸流泵裝置進(jìn)行了水動(dòng)力特性分析，得到了有、無(wú)消渦錐的箱涵式進(jìn)水流道出口斷面的軸向速度分布均勻度與速度加權(quán)平均角的差異性較小，但其水力損失值下降較大的結(jié)論；陳松山［8-9］圍繞泵站箱涵式出水流道對(duì)其進(jìn)行了三維湍流數(shù)值分析，擴(kuò)散段喇叭口至頂板距離越小，則水力損失越大。本文圍繞箱涵式泵裝置，采用CFD數(shù)值模擬計(jì)算的手段，對(duì)箱涵式泵裝置進(jìn)行能量特性分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

一站四閘泵裝置主要包括四部分，即進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉和出水流道。進(jìn)水流道在下層，出水流道在上層。泵裝置通過(guò)進(jìn)、出水流道的四個(gè)閥門的調(diào)整實(shí)現(xiàn)泵裝置的正反向運(yùn)行。本文選用的模型泵的設(shè)計(jì)流量為 Q=320L/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程 H=2.5m，水泵葉片數(shù)3片。導(dǎo)葉為擴(kuò)散型式的導(dǎo)葉，葉片數(shù)5片。該箱涵式裝置針對(duì)引水工況，即以正向運(yùn)行為主，同時(shí)兼顧反向運(yùn)行。原型泵葉輪的直徑D=3.45m，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 n=100 r/m in，nD值取為345。正向運(yùn)行泵裝置設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.36m，最高運(yùn)行揚(yáng)程為3.67m，反向運(yùn)行的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2.95m，最高運(yùn)行揚(yáng)程為3.53m。

采用針對(duì)原型的泵裝置進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，原型裝置的水泵直徑為3.45m，原型裝置進(jìn)水流道和出水流道的寬度B=2.75D，原型裝置的高度H=1.27D，裝置的長(zhǎng)度L=10.87D。根據(jù)泵裝置三維尺寸對(duì)其進(jìn)行三維建模，其中進(jìn)水流道和出水流道在三維建模軟件UG中建模，原型葉輪、導(dǎo)葉體在CFX Turbo-Grid三維軟件中進(jìn)行建模。原型裝置的三維模型建立如圖1所示。

圖1 原型裝置三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

本文針對(duì)進(jìn)水流道和出水流道三維模型在ICEM軟件中進(jìn)行非結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分，軸流泵的葉輪與導(dǎo)葉體在Turbo-Grid軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格剖分。在ICEM中和Turbo-Grid中劃分的網(wǎng)格質(zhì)量都能夠滿足CFX的計(jì)算要求，網(wǎng)格質(zhì)量均能達(dá)到0.3以上，高于工程實(shí)際使用中需要的網(wǎng)格質(zhì)量。同時(shí)除了網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)結(jié)果影響外，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。因此本文針對(duì)剖分的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性分析，針對(duì)本文的計(jì)算模型，不斷的增加剖分的網(wǎng)格數(shù)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)劃分的網(wǎng)格數(shù)量增加到一定值時(shí)，計(jì)算結(jié)果包括效率和揚(yáng)程趨向于穩(wěn)定，即網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算增加時(shí)，揚(yáng)程和效率趨于穩(wěn)定。根據(jù)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，本文計(jì)算網(wǎng)格最終取原型裝置網(wǎng)格總數(shù)為240萬(wàn)，水泵葉輪的網(wǎng)格數(shù)為35.9萬(wàn)，擴(kuò)散導(dǎo)葉的網(wǎng)格數(shù)量為40.1萬(wàn)。剖分的葉輪與導(dǎo)葉體的網(wǎng)格型式如圖2～3所示。

圖2 裝置各部件網(wǎng)格

圖3 葉輪、導(dǎo)葉體的網(wǎng)格圖

1.3 邊界條件

邊界條件的設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)健性有著重要的影響。邊界條件設(shè)置，特別是進(jìn)出口邊界條件設(shè)置不合理，有時(shí)會(huì)使得計(jì)算結(jié)果不可靠，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致結(jié)果發(fā)散。本文在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，采用較為健壯的總壓進(jìn)口、質(zhì)量流量出口邊界條件。泵裝置內(nèi)部的流動(dòng)是非定常的三維的紊流流動(dòng)，流動(dòng)較為復(fù)雜，水泵葉輪為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速100 r/min，其他為靜止域，因此泵裝置中存在動(dòng)靜交界面，本文的動(dòng)、靜交界面類型采用“Stage”模型的速度平均模型。靜止域與靜止域之間None交界面型式。本文的數(shù)值

計(jì)算采用雷諾時(shí)均N-S控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε紊流模型對(duì)控制方程進(jìn)行封閉，該紊流模型修正了湍流粘度，考慮了平均流動(dòng)中的水流旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的流動(dòng)情況，能夠很好的處理高流線彎曲程度較大的流動(dòng)狀況。本文泵裝置的進(jìn)口域?yàn)檫M(jìn)水流道的進(jìn)口，在進(jìn)口設(shè)置總壓進(jìn)口條件，總壓為一個(gè)大氣壓。泵裝置的出口域?yàn)槌鏊鞯赖某隹?，在域的出口將邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量，設(shè)計(jì)流量為33.4m3/s。水泵葉片的表面、輪轂外表面及輪緣內(nèi)表面等固體壁面的邊界條件均采用固壁表面滿足粘性流體的無(wú)滑移條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。

1.4 計(jì)算依據(jù)

（1）水力損失

根據(jù)伯努利方程引入水力損失△h的概念，將2個(gè)計(jì)算面的能量差作為水力損失的計(jì)算依據(jù)，在CFD中通過(guò)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行表示。計(jì)算公式如下：

式中，E1-流道進(jìn)口處的總能量；E2-流道出口處總能量。

（2）揚(yáng)程

根據(jù)伯努利方程可計(jì)算裝置揚(yáng)程，將進(jìn)水流道進(jìn)口與出水流道出口的總能量差定義為泵裝置的揚(yáng)程，計(jì)算公式表示為：

式中，等式右邊第一項(xiàng)為出水流道出口斷面的總能量，第二項(xiàng)為進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的總能量。Q-流量，L/s；H1、H2-上述2個(gè)斷面所在的高程，m；s1、s2-泵裝置進(jìn)口和出口的斷面面積，m2；u1、u2-泵裝置進(jìn)口和出口斷面的流速，m/s；ut1、ut2-泵裝置進(jìn)口和出口斷面的流速的法向分量，m/s；P1、P2-泵裝置進(jìn)口和出口斷面的靜壓值，Pa；g-當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2。

（3）效率

CFD中由裝置內(nèi)部的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及作用在葉片上的扭矩可預(yù)測(cè)水泵及裝置的能量特性。泵裝置效率計(jì)算公式：

式中，Tp-扭矩，N·m；ω-水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

（4）進(jìn)水流道出口流速分布均勻度

評(píng)價(jià)進(jìn)水流道設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)之一即是進(jìn)水流道出口斷面的速度分布均勻度。進(jìn)水流道應(yīng)為水泵葉輪提供較好的流速分布和壓力分布條件。進(jìn)水流道出口即為葉輪室進(jìn)口，軸向速度的均勻度Vzu可以反映進(jìn)水流道設(shè)計(jì)的質(zhì)量，Vzu越接近100%，說(shuō)明進(jìn)水流道出口的軸向速度分布越均勻，公式表示為：

式中，Vzu-進(jìn)水流道出口斷面的軸向速度分布均勻度，%；ˉva-該斷面的速度算術(shù)平均值；vai-該斷面各計(jì)算網(wǎng)格單元的軸向速度，m/s；n-該斷面的計(jì)算網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算工況分別設(shè)置為 0.4Q0、0.5Q0、0.6Q0、0.7Q0、 0.8Q0、 0.9Q0、 0.95Q0、 1.0Q0、 1.05Q0、1.1Q0和1.15Q0，一共11個(gè)流量工況點(diǎn)。將計(jì)算結(jié)果整理成曲線，如圖4～5所示。

圖4 泵裝置的性能曲線圖

圖5 水力損失曲線圖

根據(jù)圖4泵裝置的流量揚(yáng)程曲線圖可知，在設(shè)計(jì)工況下，泵裝置運(yùn)行效率較高，軸流泵能夠處于高效區(qū)下運(yùn)行，且最高效率可達(dá)到70.04%，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為1.736m；最高的運(yùn)行揚(yáng)程可達(dá)到4.0m左右，最高運(yùn)行揚(yáng)程與最優(yōu)運(yùn)行揚(yáng)程比值達(dá)到2.3，說(shuō)明了該泵裝置非常適用于揚(yáng)程變化較大的泵站使用。根據(jù)進(jìn)水和出水流道的水力損失曲線可知，進(jìn)水流道的水力損失跟流量正相關(guān)，即隨著運(yùn)行流量增加而增大。而出水流道的水力損失隨著流量的增加先減小再增大，本文出水流道的水力損失最小值在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近。這是由于導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)使得導(dǎo)葉出口的速度環(huán)量存在一個(gè)最優(yōu)環(huán)量，進(jìn)而導(dǎo)致出水流道的水力損失存在最優(yōu)值。

將設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流場(chǎng)圖取出如圖6所示。

圖6 流場(chǎng)分布圖

根據(jù)圖6可知，設(shè)計(jì)工況下，進(jìn)水流道流速分布較為均勻，根據(jù)公式（5）計(jì)算得到的進(jìn)水流道出口斷面速度均勻度達(dá)到了95.7%，說(shuō)明了進(jìn)水流道設(shè)計(jì)較好，能夠?yàn)樗锰峁┹^好的進(jìn)水流態(tài)。但是由于箱涵式泵裝置特殊的結(jié)構(gòu)型式，其在進(jìn)水流道盲端會(huì)產(chǎn)生死水區(qū)，流態(tài)較為紊亂，水流的流動(dòng)性較差，甚至?xí)a(chǎn)生漩渦，因此，在使用該裝置型式時(shí)，可以在進(jìn)水流道盲端適當(dāng)?shù)牟扇∠嚓P(guān)的消渦措施。葉輪為旋轉(zhuǎn)域，所以在葉輪中水流的流速最大。導(dǎo)葉的作用主要是減小葉輪出口的速度環(huán)量，將葉輪出口水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，進(jìn)而減小裝置的水力損失。但導(dǎo)葉并不能完全消除葉輪出口的速度環(huán)量，因此導(dǎo)致出水流道的水流流態(tài)較為紊亂。也正因?yàn)檫@個(gè)原因，工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中要盡量減小出水流道的水力損失，以達(dá)到提高裝置效率的目的。

在泵站運(yùn)行過(guò)程中除了關(guān)注運(yùn)行效率外，水泵汽蝕性能也是其關(guān)注的主要性能之一。葉片長(zhǎng)期處于汽蝕狀態(tài)下工作會(huì)造成葉片磨損比較嚴(yán)重，效率降低。將葉片工作面和背面壓力分布云圖取出，如圖7～8所示。

根據(jù)圖7和圖8所示，葉片正面壓力較大，且輪緣處壓力大于輪轂側(cè)壓力，說(shuō)明葉片輪緣處做功能力較強(qiáng)。葉片背面壓力較低，說(shuō)明在葉片背面易發(fā)生汽蝕，其中壓力較小的集中區(qū)最先會(huì)發(fā)生汽蝕。根據(jù)背面的壓力云圖分布及壓力數(shù)值可知，該水泵的必需汽蝕余量較小，說(shuō)明該水泵的汽蝕性能較優(yōu)，不易發(fā)生汽蝕。

圖7 葉片正面壓力分布云圖

圖8 葉片背面壓力分布云圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)箱涵式泵裝置的數(shù)值模擬計(jì)算可知，該箱涵式泵裝置在設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.36m時(shí)，運(yùn)行效率達(dá)到了66.82%，在設(shè)計(jì)工況下，泵裝置運(yùn)行效率較高，最高效率可達(dá)到70.04%，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為1.736m，最高運(yùn)行揚(yáng)程與最優(yōu)運(yùn)行揚(yáng)程比值達(dá)到2.3，該箱涵式泵裝置非常適用于揚(yáng)程變化較大的泵站使用；同時(shí)可以得到，進(jìn)水流道的水力損失跟流量正相關(guān)，隨著流量的增加而增大，出水流道的水力損失隨著流量的增加先減小再增大，在設(shè)計(jì)工況附近出水流道水力損失最小。

［1］ ZHU Jinmu， ZENG Fanchun.Experimental study on two-way flow passages in pumping system［J］.Journal ofmechanical science and technology， 2008， 22（10）： 1966-1970.

［2］ LIU Chao， JIN Yan， ZHOU Ji ren， et al.Numerical simulation and experimental study of a two-floor structure pumping system［C］.Proceedings of the ASME Power Conference， 2010： 777-784.

［3］陳松山，何鐘寧，周正富，等.低揚(yáng)程泵站箱涵式出水流道水力特性試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（04）：70-72.

［4］成立，劉超.低揚(yáng)程泵裝置流動(dòng)特性及水力性能研究進(jìn)展［J］.水利水電科技進(jìn)展，2008，28（04）：85-88.

［5］楊帆，劉超，湯方平，等.灌排雙向立式泵裝置內(nèi)部水流壓力脈動(dòng)特性［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，29（04）：316-321.

［6］劉超.南水北調(diào)低揚(yáng)程水泵裝置水力性能考核指標(biāo)探討［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，21（06）：2-5.

［7］李彥軍，顏紅勤，葛強(qiáng)，等.蝸殼流道高效泵裝置研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28（06）：200-205.

［8］黃良勇，吳忠，張嘯.大型雙向流道泵裝置優(yōu)化匹配與試驗(yàn)研究［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，34（07）：602-607.

［9］陳松山，王林鎖，陸偉剛，等.大型軸流泵站雙向流道設(shè)計(jì)及泵裝置特性試驗(yàn)［J］.江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，22（03）： 44-49.

［10］楊帆，劉超，湯方平，等.箱涵式進(jìn)水流道的立式軸流泵裝置水動(dòng)力特性分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（04）：62-69.

TV675

A

1672-2469（2017）10-0108-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.030

2017-06-13

楊曉紅（1976年-），女，工程師。