張 亞,陳亞軍

(徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000)

1 概述

梁寨閘站位于豐縣梁寨鎮(zhèn)鄭集南支河上，是豐縣南線調(diào)水第二級泵站工程。該泵站設(shè)計(jì)流量37m3/s，選用4臺1850ZLQ12- 5.5機(jī)械全調(diào)節(jié)立式軸流泵(3機(jī)1備)，單機(jī)流量為12.33m3/s，單機(jī)配套功率為1000kW，總裝機(jī)容量4000kW。泵站采用肘形流道進(jìn)水、虹吸式流道出水，真空破壞閥斷流。泵室底板順?biāo)鞣较蚩傞L26.50m，垂直水流方向總長23.0m。泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程4.9m，最大為5.2m，最小為3.2m[1]。

在流量為12.33m3/s，葉輪直徑為1850mm時(shí)，通過對葉輪葉片角度為+2°和+4°兩種角度下的泵裝置性能進(jìn)行對比分析，最終選取+2°作為本次數(shù)值模擬葉輪角度。在特征揚(yáng)程下，通過對水力模型ZM42、ZM6.0-Y981、TJ04-ZL- 20和ZM55四種原型泵段性能參數(shù)對比分析，初步選用由揚(yáng)州大學(xué)開發(fā)的ZM55水力模型，基于該水力模型及其配套后導(dǎo)葉，采用數(shù)值模擬對肘型進(jìn)水流道和虹吸式出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。

2 數(shù)值模擬基本理論及采用軟件

考慮泵裝置內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為水，可簡化為不可壓縮的牛頓液體，采用的控制方程為雷諾平均N-S方程，紊流模型采用SST紊流模型[3]。本工程項(xiàng)目采用合適的葉輪和導(dǎo)葉體，與進(jìn)、出水流道共同組成泵站水泵裝置CFD數(shù)值仿真計(jì)算模型，開展泵站水泵裝置CFD數(shù)值仿真計(jì)算，在整個(gè)水泵運(yùn)行范圍內(nèi)，進(jìn)行包括水泵葉輪、導(dǎo)葉、進(jìn)水流道、出水流道在內(nèi)的泵裝置全流道數(shù)值模擬，本次模擬對進(jìn)、出水流道進(jìn)行了對比優(yōu)選[4- 7]。

2.1 水力性能計(jì)算依據(jù)

2.1.1 水力損失計(jì)算依據(jù)

根據(jù)伯努利能量方程[8- 9]引入水力損失△h概念，采用CFD數(shù)值計(jì)算得到的流速場和壓力場預(yù)測過流部件的水力損失，計(jì)算式為：

(1)

2.1.2 出口斷面軸向流速分布均勻度計(jì)算依據(jù)

進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)應(yīng)為葉輪提供均勻的流速分布和壓力分布進(jìn)水條件。進(jìn)水流道的出口也是葉輪室的進(jìn)口，其軸向速度分布均勻度Vzu反映了進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)質(zhì)量，Vzu越接近100%，表明進(jìn)水流道的出口水流的軸向流速分布越均勻，其計(jì)算公式如下：

(2)

2.1.3 泵裝置性能預(yù)測計(jì)算依據(jù)

根據(jù)伯努利能量方程計(jì)算泵站裝置揚(yáng)程，由計(jì)算得到的速度場和壓力場以及葉輪上作用的扭矩計(jì)算泵裝置的水力性能[10]。

泵裝置進(jìn)水流道入口與出水流道出口的總能量差定義為裝置揚(yáng)程，表達(dá)式如下：

(3)

泵裝置效率即為：

(4)

2.2 計(jì)算采用軟件及計(jì)算說明

采用NX 10.0與ANSYS ICEM軟件對肘形進(jìn)水流道、虹吸出水流道和出水彎管進(jìn)行實(shí)體建模與網(wǎng)格剖分[11]。采用ANSYS TurboGrid軟件按照葉輪D=300mm標(biāo)準(zhǔn)模型對葉輪和導(dǎo)葉體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模型建模與網(wǎng)格剖分，再按比例放大到1850mm原型泵尺寸[12]。

2.3 進(jìn)、出水流道模型方案及其組合

2.3.1 進(jìn)水流道模型

在進(jìn)水流道底板距離葉輪中心距離不變，通過改變轉(zhuǎn)彎處喉部位置，盡量使水流在轉(zhuǎn)彎時(shí)過渡均勻，本次數(shù)值模擬中，喉部位置較高的為方案一，較低的為方案二，如圖1所示。

圖1 肘形進(jìn)水流道不同方案正、俯視對比圖

2.3.2 出水流道模型

出水流道建模時(shí)參照以往性能優(yōu)良的虹吸式出水流道確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)，控制駝峰位置基本不變，改變駝峰斷面處水流流速，確定了2.4、2.15、2.0m/s，對應(yīng)的出水流道為方案一、方案二和方案三。不同方案出水流道情況如圖2所示。

圖2 虹吸出水流道不同方案正、俯視對比圖

在CFX軟件中裝配肘形進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉、出水彎管和虹吸式出水流道泵裝置模型，得出泵裝置模型如圖3所示。

圖3 立式軸流泵泵裝置模型圖

2.3.3 方案組合

整體泵裝置方案按照進(jìn)水流道和出水流道方案組合，采用序號1、2、3、4，流道方案采用序號一、二、三，見表1。

表1 立式軸流泵原型泵模擬進(jìn)、出水流道方案表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 肘型進(jìn)水流道內(nèi)流場圖

方案一、方案二肘形進(jìn)水流道流線圖如圖4所示，壓力分布云圖如圖5所示，出口壓力分布云圖如圖6所示。

3.2 虹吸出水流道內(nèi)流場圖

三種方案虹吸出水流道內(nèi)部流線圖如圖7所示，壁面靜壓云圖如圖8所示，中間斷面的靜壓云圖如圖9所示。

表2 泵站進(jìn)水流道、出水流道各方案分析對比表

圖4 方案一、方案二肘形進(jìn)水流道流線圖

圖5 方案一、方案二肘形進(jìn)水流道壓力分布云圖

圖6 方案一、方案二肘形進(jìn)水流道出口壓力分布云圖

圖7 三種方案虹吸出水流道內(nèi)部流線圖

圖8 三種方案虹吸出水流道壁面靜壓云圖

通過泵站進(jìn)水流道、出水流道各方案分析對比，得出結(jié)論，見表2。

3.3 立式軸流泵泵裝置流線圖

對四種方案在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行計(jì)算，對泵裝置內(nèi)部流線進(jìn)行分析，繪出四種方案設(shè)計(jì)工況內(nèi)部流線圖如圖10所示。

對四種方案在設(shè)計(jì)工況下整體泵裝置流線進(jìn)行分析，可知方案4的進(jìn)、出水流道流態(tài)均最好，無漩渦和回流等不良流態(tài)，建議優(yōu)選。方案1、方案2和方案3出水流道虹吸下降段均存在小范圍的回流區(qū)，不建議選取。

3.4 立式軸流泵泵裝置性能曲線計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算域的出口設(shè)置流量為12.33m3/s，經(jīng)過全流場的數(shù)值模擬計(jì)算，取肘形進(jìn)水流道進(jìn)口到虹吸式出水流道出口的性能，不同方案的性能見表3。

表3 立式軸流泵原型泵模擬計(jì)算結(jié)果(n=214.3rpm D=1850mm)

取不同方案肘形進(jìn)水流道、導(dǎo)葉、出水彎管和出水流道的水力損失，見表4。

表4 四種方案泵裝置的水力損失

圖9 三種方案虹吸出水流道中間斷面的靜壓云圖

圖10 四種方案設(shè)計(jì)工況泵裝置內(nèi)部流線圖

通過數(shù)值模擬計(jì)算并經(jīng)分析，進(jìn)水流道方案二明顯優(yōu)于方案一，水力損失小，性能更優(yōu)；出水流道方案三的性能優(yōu)于方案一和方案二，最終確定進(jìn)水流道方案二和出水流道方案三為最優(yōu)方案，即方案4為最優(yōu)方案。

3.5 最優(yōu)方案的多工況數(shù)值模擬計(jì)算

選取最優(yōu)方案(方案4)，對0.8Qd、0.9Qd、1.0 Qd、1.1Qd、1.2Qd和1.25Qd的水力特性進(jìn)行計(jì)算，繪制外特性曲線如圖11所示。

圖11 方案4外特性圖

4 結(jié)論

基于CFD技術(shù)，通過對泵站的流道內(nèi)流場和泵裝置內(nèi)部流線進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合泵裝置性能曲線計(jì)算結(jié)果優(yōu)選了設(shè)計(jì)方案，并計(jì)算繪制了最優(yōu)方案的流量-揚(yáng)程、流量-效率曲線，該分析成果能滿足GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[13]。通過CFD技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)細(xì)節(jié)分析，能達(dá)到肘形進(jìn)水流道、虹吸出水流道方案優(yōu)化的目標(biāo)，并大大簡化流道優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作量和難度，達(dá)到較好的優(yōu)化效果。

但是，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在ZM55葉輪安放角+2°時(shí)，可以滿足梁寨閘站的流量揚(yáng)程需求，與水泵選型的+4°稍有偏差，還有待在模型試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。