孫 衍，李尚紅，顏 蔚，成 立

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200；2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 2250091)

0 引 言

豎井式貫流泵裝置是一種低揚(yáng)程泵站結(jié)構(gòu)形式[1]，它將電機(jī)、齒輪箱安裝于鋼筋混凝土豎井內(nèi)，水泵進(jìn)、出水流道順直，泵站裝置效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)挖深度小，平面尺寸小，工程投資少，便于管理、維護(hù)。劉軍[2]、鄭源[3]對(duì)前置和后置豎井式貫流泵裝置裝置效率進(jìn)行了比較。徐磊等[4,5]通過(guò)CFD和模型試驗(yàn)，分析了豎井貫流泵裝置流態(tài)并優(yōu)化了相關(guān)型線結(jié)構(gòu)。顏紅勤[6]結(jié)合無(wú)錫梅梁湖泵站，闡述了低揚(yáng)程泵站豎井貫流泵裝置水泵nD值、葉輪中心安裝高程、流道線型尺寸以及主要配套設(shè)備等的確定。陳松山[7]對(duì)橢圓型漸縮前置豎井貫流進(jìn)水流道與由圓截面漸變至矩形截面出水流道匹配組成的模型泵裝置進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。楊帆[8]提出了豎井貫流泵裝置多工況性能加權(quán)評(píng)價(jià)指標(biāo)。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，采用CFD技術(shù)進(jìn)行泵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)成為主要研究手段[9]。

本文以鹽城西閘站為研究背景，基于CFD技術(shù)對(duì)豎井貫流泵裝置進(jìn)出水流道進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化研究，相關(guān)成果在工程中得到應(yīng)用實(shí)施。

1 泵站基本參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)

1.1 基本參數(shù)

泵站單機(jī)設(shè)計(jì)流量15 m3/s，水泵葉輪直徑D=2.45 m，本文以西閘站初步設(shè)計(jì)階段確定的泵裝置長(zhǎng)度、寬度和水泵葉輪中心高程及進(jìn)水流道進(jìn)口、出水流道出口的底高程為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化泵站進(jìn)、出水流道寬度、長(zhǎng)度和型線，并對(duì)豎井式貫流泵裝置進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)方案比較研究。

1.2 優(yōu)化水力設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.2.1 進(jìn)水流道水力優(yōu)化的目標(biāo)

豎井貫流泵裝置的進(jìn)水流道是進(jìn)水池與水泵葉輪室之間的過(guò)渡段，其作用是為引導(dǎo)水流由進(jìn)水池平順均勻地流向葉輪室，為水泵葉輪室進(jìn)口提供符合設(shè)備轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)要求的流態(tài)，以保證水泵穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。對(duì)進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)的具體要求為：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流道水力損失盡可能?。虎茉诟鞴r下，流道內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生渦帶。

1.2.2 出水流道水力優(yōu)化的目標(biāo)

豎井貫流泵裝置的出水流道是水泵導(dǎo)葉出口與出水池之間的過(guò)渡段，其作用是引導(dǎo)水流在流向出水池的過(guò)程中平緩有序地?cái)U(kuò)散，在流道水力損失盡可能小的條件下最大限度地回收水流的動(dòng)能。對(duì)出水流道水力設(shè)計(jì)的具體要求為：①流道型線變化應(yīng)比較均勻，當(dāng)量擴(kuò)散角宜取8°～12°； ②盡可能多地回收水流的動(dòng)能，最大限度地減少流道水力損失； ③流道內(nèi)的水流擴(kuò)散平緩避免產(chǎn)生渦流及其他不良流態(tài)。

2 研究對(duì)象及模擬方法

2.1 研究對(duì)象

水貫流泵裝置的過(guò)流部件包括前池、進(jìn)水池、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉和出水流道，如圖1所示。葉輪直徑為2 450 mm，葉片數(shù)為3，導(dǎo)葉片數(shù)為7，轉(zhuǎn)速為132 r/min。

圖1 計(jì)算對(duì)象

2.2 數(shù)值模擬

采用分塊策略對(duì)計(jì)算進(jìn)行六面體網(wǎng)格剖分。進(jìn)、出水流道選用O型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，便于對(duì)邊界層進(jìn)行加密。借鑒相關(guān)文獻(xiàn)的方法[24]，葉輪采用H/J/L-Grid拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉選用H-Grid拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為獲得更為精確的結(jié)果，對(duì)葉片周邊區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，整個(gè)計(jì)算域內(nèi)y+值在30～500之間[10-11]。為提高計(jì)算精度，排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，同時(shí)適當(dāng)減少計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)分析。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到一百萬(wàn)個(gè)后，泵裝置揚(yáng)程和葉片扭矩波動(dòng)值均小于1%。

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[12]，RNGk-ε湍流模型考慮分離流動(dòng)和渦旋的效應(yīng)，適用于泵裝置的數(shù)值計(jì)算。采用Scalable wall function處理近壁區(qū)流動(dòng)。進(jìn)口條件采用質(zhì)量進(jìn)口，出口邊界設(shè)置為壓力出口。

2.3 性能預(yù)測(cè)模型

根據(jù)伯努利能量方程計(jì)算泵裝置凈揚(yáng)程，由計(jì)算得到的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)以及葉輪上作用的扭矩預(yù)測(cè)泵裝置的水力性能。

泵裝置進(jìn)水流道進(jìn)口1-1(見(jiàn)圖1)與出水流道出口2-2(見(jiàn)圖1)的總能量差定義為凈揚(yáng)程，用下式表示：

(1)

等式右邊：第一項(xiàng)為靜壓能水頭差；第二項(xiàng)為高程差；第三項(xiàng)為動(dòng)能水頭差；因此，泵裝置的效率即為：

(2)

式中：Tp為扭矩；ω為葉輪角速度。

3 計(jì)算方案

根據(jù)初步分析，影響泵裝置性能的主要參數(shù)有：進(jìn)水流道寬度Bin，進(jìn)水流道高度Hin，出水流道寬度Bout，出水流道高度Hout，進(jìn)水流道豎井型線等。因此根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對(duì)泵裝置進(jìn)、出水流道進(jìn)行優(yōu)化，共對(duì)5種典型進(jìn)水流道(編號(hào)JS1、JS2、JS3、JS4、JS5)和4種出水流道(編號(hào)CS1、CS2、CS3、CS4)組合的7種方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算比較。

方案1為原設(shè)計(jì)方案，方案2、3和4為在相同進(jìn)水流道下對(duì)出水流道進(jìn)行優(yōu)化，方案4、5、6和7為在相同出水流道下對(duì)進(jìn)水流道高度、寬度及型線進(jìn)行優(yōu)化。各方案裝置流道的構(gòu)成見(jiàn)表1。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 原方案流動(dòng)特性

由流場(chǎng)圖2可知，在豎井過(guò)渡段，水流在順?biāo)鞣较蚓鶆蚴湛s和加速。在出豎井段后進(jìn)入進(jìn)水錐管后，水流雖然得到了充分地調(diào)整、較為均勻地流向葉輪室進(jìn)口，但由于進(jìn)水錐管收縮角較大(單邊達(dá)到13°)，水流流動(dòng)與流道出口形成了較大的偏斜角度。根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)水流道出口的流速分布均勻度達(dá)95.9%，但水流入泵平均角度達(dá)-7.39°。

表1 研究方案 m

圖4為進(jìn)出水流道順?biāo)鞣较騼?nèi)部流速矢量圖。由圖4(b)可知，隔墩兩側(cè)的流動(dòng)并不對(duì)稱(chēng)，而表現(xiàn)為一側(cè)流量大，另一側(cè)流量略小一些，這一現(xiàn)象與實(shí)際情況是相符的。因?yàn)楸谜緦?shí)際運(yùn)行過(guò)程中，水流在葉輪旋轉(zhuǎn)加速作用下具有一定的環(huán)量。水流流出葉輪進(jìn)入導(dǎo)葉，導(dǎo)葉對(duì)環(huán)量的具有一定的回收作用，但是導(dǎo)葉不能夠完全回收環(huán)量。水流剩余環(huán)量會(huì)對(duì)出水流道隔墩兩側(cè)的水量分配及內(nèi)部流態(tài)也會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致隔墩兩側(cè)水流流動(dòng)不對(duì)稱(chēng)。

由流場(chǎng)圖可以看到，水流的擴(kuò)散是均勻的，但從壓力等值線(圖3)來(lái)看，由于水流由導(dǎo)葉流向出水流道要經(jīng)過(guò)平直管段，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)折處局部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。

圖2 進(jìn)、出水流道縱向進(jìn)水流態(tài)圖(方案1)

圖3 進(jìn)、出水流道縱向壓力等值線圖(方案1)

圖4 進(jìn)、出水流道流速矢量圖(方案1)

4.2 進(jìn)水流道水力優(yōu)化

進(jìn)水流道由進(jìn)水直段、豎井段和錐段組成。豎井段為斷面漸變段，由矩形斷面逐步變化為圓形斷面，將水流逐步加速并平順地引入錐段。進(jìn)水流道寬度、高度和型線都將顯著影響其內(nèi)部流態(tài)。

4.2.1 進(jìn)水流道寬度優(yōu)化

方案2、3和4采用了JS2(寬度6 m)進(jìn)水流道。如圖5所示JS1進(jìn)水流道斷面面積變化較其他方案劇烈，JS2進(jìn)水流道內(nèi)流速變化表現(xiàn)為加速、減速、再加速的規(guī)律，這不符合進(jìn)水流道設(shè)計(jì)的基本要求。經(jīng)多方案比較優(yōu)化，采用進(jìn)水流道寬度為6.7 m進(jìn)行流道型線等參數(shù)的優(yōu)化。

圖5 斷面面積、平均流速與流道長(zhǎng)度關(guān)系曲線

4.2.2 進(jìn)水流道高度優(yōu)化

由原方案可知進(jìn)水流道進(jìn)水錐管收縮角過(guò)大，因此適當(dāng)降低流道高度可減少收縮角，改善水流入泵條件。JS1、JS2和JS3為流道高度為3.5 m流道方案，JS4和JS5為流道高度為3.0 m流道方案。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，流道高度為3.0 m時(shí)，再對(duì)豎井過(guò)渡段進(jìn)行優(yōu)化后，流道出口均勻度得到一定提高，水流入泵平均角度有較大改善。各進(jìn)水流道方案計(jì)算結(jié)果列在表2。

4.2.3 進(jìn)水流道型線優(yōu)化

圖6(a)給出了不同流道寬度下JS1、JS2、JS3流道單線圖，圖7(b)為流道寬度6.7 m下的流道型線比較圖。JS2、JS3流道過(guò)渡段變化劇烈，JS1和JS5過(guò)渡段從豎井3斷面開(kāi)始，變化較為平順。由斷面面積、平均流速與流道長(zhǎng)度關(guān)系曲線圖(圖6)，JS5進(jìn)水流道內(nèi)斷面過(guò)渡光滑平順，流速無(wú)突變，其他4種進(jìn)水流道方案斷面過(guò)渡均不夠平順。由各方案的計(jì)算流場(chǎng)和壓力場(chǎng)圖可知，進(jìn)水流道內(nèi)未見(jiàn)脫流。

表2 進(jìn)水流道方案流速均勻度和入泵角度計(jì)算結(jié)果

圖6 進(jìn)水流道型線比較圖

4.2.4 進(jìn)水流道水力損失

由計(jì)算可知，進(jìn)水流道損失絕對(duì)值較小，其中JS1流道與JS5流道損失相當(dāng)，其次為JS4流道，JS2和JS3損失相對(duì)較大，JS3流道損失介于上述流道之間。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各方案進(jìn)水流道水力損失 cm

4.3 出水流道水力優(yōu)化

在豎井貫流泵裝置中，出水流道由漸變段和出水直段組成。漸變段是將水流逐步擴(kuò)散，斷面由圓形逐步過(guò)渡矩形。該段的形狀對(duì)出水流道內(nèi)的流態(tài)起決定性作用，如設(shè)計(jì)不當(dāng)將導(dǎo)致旋渦，引起水力損失增加。

4.3.1 出水流道型線優(yōu)化

對(duì)圖7為四種出水流道(CS1、CS2、CS3、CS4)進(jìn)行了計(jì)算比較。計(jì)算表明CS3流動(dòng)與CS4流動(dòng)相似，流道內(nèi)流動(dòng)擴(kuò)散較為均勻，而CS2與CS1流動(dòng)形似，轉(zhuǎn)折處局部都出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)。

圖7 出水流道單線圖比較

4種出水流道方案的長(zhǎng)度和當(dāng)量擴(kuò)散角列于表4。通過(guò)去除出水平直管段，CS4的流道長(zhǎng)度由方案1的CS1出水流道16.3 m長(zhǎng)縮短為11.5 m。由于寬度由6.7 m減少至6.0 m，使得CS4的單邊擴(kuò)散角減少至5.67°。因此，CS4為最優(yōu)的出水流道方案。方案7中的出水流道為將隔墩縮短和厚度減薄的方案，其對(duì)總體的流態(tài)影響較小。

表4 各出水流道方案長(zhǎng)度和擴(kuò)散角的比較

4.3.2 出水流道水力損失

出水流道內(nèi)損失相對(duì)于進(jìn)水流道而言較大，水力損失與流量不成比例，而表現(xiàn)為與泵裝置工況有一定相關(guān)性。其中CS1流道損失最小，CS2流道損失最大，CS3和CS4流道損失相當(dāng)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各方案出水流道水力損失

4.4 泵裝置整體性能

運(yùn)用公式(1)和(2)對(duì)整體豎井貫流泵裝置進(jìn)行了水力性能預(yù)測(cè)，圖8為方案4和7計(jì)算結(jié)果比較圖。由圖可知，方案7水力性能優(yōu)于方案4。這是由于方案1流道主要控制尺寸較為寬裕，流道內(nèi)流速較小，水力損失較小。因此最終方案推薦采用方案7，并在工程中得到成功實(shí)施，運(yùn)行后效果良好。

5 結(jié) 論

(1) 豎井式貫流泵具有良好的水力性能，通過(guò)泵裝置整體數(shù)值模擬可獲得內(nèi)部流態(tài)并預(yù)測(cè)性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的進(jìn)、出水流道的優(yōu)化水力設(shè)計(jì)能得到較好計(jì)算結(jié)果。

圖8 泵裝置整體性能比較圖(方案4和7)

(2) 進(jìn)水流道豎井內(nèi)外型線顯著影響進(jìn)水流態(tài)，優(yōu)化后的型線顯著改善了進(jìn)水流速分布和壓力分布。

(3) 通過(guò)改變進(jìn)水流道的寬度和高度，提高了葉輪進(jìn)口的流速均勻度和改善了入泵條件。通過(guò)減小出水流道寬度和取消原設(shè)計(jì)方案中的平直段管，改善了漸變擴(kuò)散段的流態(tài)和壓力分布，提高了泵裝置的性能。

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