夏瑞超 ，劉厚林 ，張子旭 ，王 凱 ，2

（1.江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

一體化預(yù)制泵站由潛水排污泵、泵站設(shè)備、清污格柵設(shè)備、控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)集成而成，具有機(jī)動性強(qiáng)，施工周期極短，安裝方便等優(yōu)點，可實現(xiàn)無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，廣泛應(yīng)用于城市污水處理領(lǐng)域。同時由于預(yù)制泵站高度的集成化和自動化等原因，導(dǎo)致人工清理泵站的周期通常按月來計，長時間泥沙和雜物沉積得不到有效清理，極大影響預(yù)制泵站內(nèi)部的流態(tài)，壓縮泵站內(nèi)部有效容積，造成排污輸水效率的明顯下降。此外，污物長期淤積會腐蝕泵站材料，產(chǎn)生廢氣，不僅會影響周圍環(huán)境，甚至危脅維修清理人員的生命健康。

王卓穎等［1］闡述了一體化預(yù)制泵站在體積優(yōu)化、投資性價比上的明顯優(yōu)勢。王磊［2］以松嘉中路下穿滬寧立交排水工程為例，主要闡述了預(yù)制泵站的優(yōu)勢特點和相關(guān)制造技術(shù)。湯慶豐等［3-6］分別以農(nóng)村城鎮(zhèn)污水泵站和濱海雨水泵站為例，集中展示了小規(guī)模一體化預(yù)制泵站組合設(shè)計的技術(shù)路線。林建光等［7］介紹了環(huán)創(chuàng)粉碎型格柵在一體化預(yù)制泵站中的工作原理。孟凡有等［8］從筒體有效容積、內(nèi)部揚程損失、抗浮設(shè)計及校驗、筒體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面，羅列了一系列關(guān)于一體化預(yù)制泵站的選型設(shè)計的注意事項。胡凱等［9］以傳統(tǒng)泵站有效容積的計算方法為基礎(chǔ)，與一體化預(yù)制泵站自動控制系統(tǒng)中水泵的起停設(shè)置方式相結(jié)合，理論推導(dǎo)出水泵最小的起停時間間隔。馮俊豪［10］分析比較了不同形狀泵坑內(nèi)的流態(tài)及其對排污泵入流條件的影響。李清等［11］針對大流量運行工況，分析了預(yù)制泵站出口管路內(nèi)的速度和壓力分布、流量分配及泵站底部的流動特征。查智力等［12］發(fā)現(xiàn)隨著流量的增大，預(yù)制泵站的進(jìn)水損失隨著流量的增大而增大，同時出水損失先減后增。王默［13］闡述了潛污泵安裝參數(shù)和泵坑形狀對一體化預(yù)制泵站水力性能的影響。談?wù)龔?qiáng)［14］分析了小流量工況下筒體內(nèi)的流動分布，以及大流量工況下流量分配原則和各筒體內(nèi)的流動特征。張子旭等［15］分析了不同運行方式對一體化預(yù)制泵站流動特性和筒體強(qiáng)度的影響。陳義春等［16］采用數(shù)值計算方法研究了進(jìn)水管位置對于泵站內(nèi)部流態(tài)的影響，減少了泵站內(nèi)不穩(wěn)定流動的范圍。

目前對于一體化預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少，為此，本文基于DPM（Discrete Phase Model）分析圓筒式一體化預(yù)制泵站內(nèi)的沉積率，并針對圓筒式預(yù)制泵站的流動問題，將其改成隔流式，同時采用響應(yīng)面法對隔流式預(yù)制泵站進(jìn)行優(yōu)化，以期為防淤積型預(yù)制泵站提設(shè)計供一定的借鑒。

1 研究模型及沉積計算方法

1.1 研究模型

圓筒式一體化預(yù)制泵站的主要參數(shù)為：筒體直徑為1 200 mm，進(jìn)水管直徑為100 mm，進(jìn)水管高度為820 mm，運行液位為1 200 mm，泵站設(shè)計規(guī)模Q=84 m3/h，采用潛污泵2臺，單泵設(shè)計流量Qd=42 m3/h、揚程 H=10 m、轉(zhuǎn)速 n=1 480 r/min。圖1為一體化預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)示意。

圖1 一體化預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic structural diagram of integrated prefabricated pumping station

1.2 三維建模及網(wǎng)格劃分

使用三維軟件Pro/E對預(yù)制泵站各零件進(jìn)行三維造型，其中包括潛物泵水體和一體化預(yù)制泵站筒內(nèi)水體，潛污泵水體分為葉輪、間隙水體和蝸殼，如圖2所示。

圖2 一體化預(yù)制泵站計算域Fig.2 Computational domain of integrated prefabricated pump station

計算前處理采用ICEM軟件對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量并考慮邊界層網(wǎng)格尺寸，采用自適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，對葉片及隔舌附近區(qū)域進(jìn)行局部加密。

潛污泵的網(wǎng)格無關(guān)性檢查見表1。對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢查后采用第2套網(wǎng)格方案，另預(yù)制泵站筒內(nèi)水體網(wǎng)格數(shù)為1 362.9萬。

表1 潛污泵的網(wǎng)格無關(guān)性檢查Tab.1 Grid independence check of submersible pump

1.3 內(nèi)流場計算方法

利用FLUENT軟件計算預(yù)制泵站內(nèi)流場，采用計算較為方便的多重坐標(biāo)系模型，葉輪流場設(shè)置為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其余部分均采用靜止坐標(biāo)系，在動靜兩種計算域之間設(shè)置數(shù)據(jù)交界面。在定常數(shù)值計算中，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面，以時均N-S方程作為基本控制方程。計算域固體壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，近壁處由于黏性效應(yīng)很大，故而采用Scalable形式壁面函數(shù)。筒體進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口。假定在管道出口處湍流已充分發(fā)展，將出口設(shè)置為自由出流。

圖3示出了該潛污泵的數(shù)值計算與試驗外特性曲線。

圖3 潛污泵外特性曲線比較Fig.3 Comparison of external characteristic curves of submersible pump

由圖3可知，數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢基本一致。設(shè)計工況下效率的計算值為84.6%，試驗值為81.2%，預(yù)測偏差為3.4%；揚程的計算值為10.38 m，試驗值為10.1 m，預(yù)測偏差為2.7%。其他各工況下?lián)P程的計算結(jié)果和試驗結(jié)果之間的誤差均小于5%。因此，該潛污泵的數(shù)值計算方法是可行的。

1.4 沉積率DE計算方法

采用FLUENT軟件中的DPM模型對顆粒相進(jìn)行設(shè)置。假設(shè)顆粒入射流均勻分布于入口界面，方向垂直于入口，從零時刻起釋放顆粒，顆粒跟隨液相清水從入口進(jìn)入并和液相有相同的起始速度；重力加速度為9.81 m/s2，顆粒密度為1 200 kg/m3，粒徑為6 mm，體積分?jǐn)?shù)為1%。

本文預(yù)制泵站的沉積模擬中，忽略壁面對固體顆粒的粘著力，只考慮顆粒由于碰撞與運動導(dǎo)致失速的情況下造成的沉積。因此，將壁面都設(shè)置為reflect，將進(jìn)出口設(shè)置為escape。

為了準(zhǔn)確判斷顆粒是否處于沉積狀態(tài)，將長度標(biāo)尺設(shè)置為10 mm，最大計算步數(shù)設(shè)置為10 000，即允許顆粒運動最大為100 m的路程，如果顆粒在筒體內(nèi)運動100 m還不能逃逸出筒體，則可能顆粒處于懸浮或在漩渦中打轉(zhuǎn)的狀態(tài)，也一并歸納入沉積。

提取計算結(jié)果，可以得出射入的粒子數(shù)Nt和從出口處流出的粒子數(shù)Ne，還有剩余的粒子沉積或懸浮在筒體內(nèi)Ni，通過這些數(shù)據(jù)可獲得計算沉積率DE。沉積率計算式為：

2 圓筒式預(yù)制泵站的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 圓筒式預(yù)制泵站沉積率分析

由于圓筒式預(yù)制泵站結(jié)構(gòu)簡單，能夠影響沉積特性的只有潛污泵的安裝位置。泵的安裝位置分為懸空高H1、泵間距S、中心距L，如圖4所示。根據(jù)預(yù)制泵站技術(shù)規(guī)程和實際結(jié)構(gòu)影響，計算對比方案設(shè)置見表2。

圖4 泵的安裝位置Fig.4 Installation location of the pump

表2 計算方案設(shè)置Tab.2 Calculation scheme setup

圖5示出了不同參數(shù)下圓筒式預(yù)制泵站內(nèi)沉積率。從圖可以看出：

（1）隨著懸空高的增加，沉積率呈現(xiàn)升高趨勢。懸空高為0.1H0時預(yù)制泵站內(nèi)沉積率最小為58.8%，即此時排污效果最好，在安裝排污泵時應(yīng)采取適當(dāng)小的懸空高度。

（2）隨著泵間距的增加，沉積率逐步增大，在泵間距0.8時沉積率最小為67.3%，考慮泵站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及保證泵的安裝空間下，應(yīng)盡量采取較小的泵間距。

（3）隨著中心距的增加，沉積率基本先減小后增大，沉積率在L=0處達(dá)到最低值83.5%，在布置泵時應(yīng)盡量采取對齊布置。

從圖5中還可以看出，圓筒式預(yù)制泵站內(nèi)的沉積率總體上非常高，基本都在60%以上。因此有必要對預(yù)制泵站內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以期進(jìn)一步減小沉積率。

2.2 預(yù)制泵站改進(jìn)設(shè)計方案

2.2.1 性能分析

圖6示出了一體化圓筒式預(yù)制泵站泵坑內(nèi)的流動情況。

圖6 圓筒式預(yù)制泵站流動示意Fig.6 Flow in cylindrical prefabricated pumping station

從圖6（a）中可以發(fā)現(xiàn)圓筒式預(yù)制泵站在防沉積方面還存在如下問題：

（1）泵坑邊角處由于流速普遍較低，極易造成小的漩渦流動，使得邊壁處顆粒來回打轉(zhuǎn)。

（2）靠近出水管的一側(cè)，存在大面積的低速區(qū)，導(dǎo)致低速區(qū)的漩渦中心顆粒沉積較多。

（3）潛污泵的吸力影響范圍并不大，雖然可以通過降低懸空高減小顆粒的沉積率，但潛污泵入口太靠近坑底，并不利于泵的安裝，且此時泵的入口偏流角普遍很大，如此長時間運行，會降低泵的性能進(jìn)而降低排污效率。

從圖6（b）可以看出圓筒式預(yù)制泵站的一般流動機(jī)理，可以看出泵站內(nèi)部主存在3個速度變化區(qū)，受潛污泵影響最大的是順流增速區(qū)和逆流減速區(qū)，而沉積通常出現(xiàn)在回流減速區(qū)域。

2.2.2 改進(jìn)方案

綜合分析圓筒式預(yù)制泵站的優(yōu)缺點，進(jìn)行如下改進(jìn)設(shè)計：

（1）在潛污泵之間設(shè)置橫向隔流堰，以加強(qiáng)單個潛污泵對周圍流場的控制。

（2）在逆流減速區(qū)和回流減速區(qū)之間設(shè)置徑向隔流堰，抵消回流沖擊的消耗。

（3）常規(guī)泵坑通常采取以泵為中心，顆粒向上吸入的模式，由于泵對大區(qū)域的外流場控制力較弱，只能使泵坑中一小塊區(qū)域液相高速流動。通常周圍的顆粒由于達(dá)不到吸入速度，吸力無法超越顆粒自身的重力，會造成大量的沉積，鑒于此在泵坑底部設(shè)置預(yù)旋盆，可以讓大部分處在坑底的顆粒收到流體向下拖拽的力，加上自身的重力，可以加速離開坑底到達(dá)預(yù)旋盆底，由于預(yù)旋盆的空間較小，落入盆底的顆?？梢员豢焖傥?。

（4）在潛污泵入口下方加入導(dǎo)流段，主要有2個功能，一是便于潛污泵的安裝，二是減小入口偏流角，從而減小對潛污泵本身的不利影響。

（5）在堰體設(shè)計導(dǎo)流預(yù)旋入口，由于徑向隔流堰的設(shè)置，使關(guān)閥停機(jī)時，運動到徑向隔流堰左側(cè)的顆?？梢员晃觥?/p>

隔流式泵坑的安裝示意與三維造型如圖7所示。參考圓筒式預(yù)制泵站潛水泵安裝位置優(yōu)化方案，設(shè)計參數(shù)見表3。

圖7 隔流式預(yù)制泵站泵坑Fig.7 Pump pit in flow separation prefabricated pumping station

表3 隔流式預(yù)制泵站參數(shù)Tab.3 Parameters of flow separation prefabricated pumping station mm

2.2.3 隔流式預(yù)制泵站性能分析

隔流式預(yù)制泵站的主要設(shè)計核心是隔流堰和預(yù)旋盆，隔流堰首先分隔大部分區(qū)域與進(jìn)水口一側(cè)，減少底面顆粒堆積區(qū)域面積，同時將2個潛污泵之間的區(qū)域分割開來，防止?jié)撐郾孟嗷ジ缮姘l(fā)生“搶水”現(xiàn)象。

為了分析隔流堰和預(yù)旋盆在隔流式預(yù)制泵站的運行中的作用，取3個分析X平面，分別為y=250，0，-250 mm。圖8為X平面上的速度分布及流線，圖9示出了X平面上的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布。對比圖8中3個X平面流體速度分布和流線可以發(fā)現(xiàn)，由于徑向隔流堰的結(jié)構(gòu)影響，在其左側(cè)會產(chǎn)生面積較大的相對低速區(qū)。

圖8 X平面速度分布及流線Fig.8 Velocity distribution and streamline in X plane

圖9 X平面顆粒體積分?jǐn)?shù)Fig.9 Volume fraction of particles in X plane

從圖9（a）和9（c）中可以看出，有少量顆粒運行到徑向隔流堰左側(cè)造成了一定的沉積，但大部分從右至左運動的顆粒會沿著泵坑滑落至預(yù)旋盆中。特別是圖9（c）中，大量顆粒被徑向隔流堰阻擋，形成一段高顆粒體積分?jǐn)?shù)區(qū)，這也體現(xiàn)了隔流堰設(shè)計的有效性。

圖10示出了圓筒式和隔流式預(yù)制泵站內(nèi)顆粒運動軌跡。從圖中可以看出，由于徑向隔流堰的設(shè)置，基本沒有顆粒能夠從泵間逃逸，在筒體右下方可以發(fā)現(xiàn)有顆粒撞擊堰體的軌跡，雖然有少部分顆粒從左上方導(dǎo)流入口處逃逸沉積在徑向隔流堰的左側(cè)，但依然能夠證明隔流式預(yù)制泵站在防沉積設(shè)計方面的價值。

圖10 圓筒式和隔流式預(yù)制泵站內(nèi)顆粒運動軌跡Fig.10 Particle movement track in cylindrical type and flow separation prefabricated pumping stations

3 隔流式預(yù)制泵站優(yōu)化

根據(jù)隔流式預(yù)制泵站的顆粒運行軌跡和速度分布圖，采用響應(yīng)面法（RSM）對隔流式泵站結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。選取預(yù)旋盆圓坑深度x1、預(yù)旋盆圓角直徑x2、導(dǎo)流管入口高x3作為試驗設(shè)計變量，響應(yīng)值為沉積率。

根據(jù)各因素及水平值，進(jìn)行試驗設(shè)計，共進(jìn)行17次試驗，設(shè)計結(jié)果見表4。

表4 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果Tab.4 Response surface test design scheme and results

采用RSM擬合得到的沉積率基于實際因子水平的回歸方程為：

式中 x1x2—— 預(yù)旋盆圓坑深度與預(yù)旋盆圓角直徑的交互項；

x1x3—— 預(yù)旋盆圓坑深度與導(dǎo)流管入口高的交互項；

x2x3—— 圓角直徑與導(dǎo)流管入口高的交互項。

在不改變運行工況的條件下，通過RSM對隔流式預(yù)制泵站的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選優(yōu)，以DE最小為目標(biāo)，經(jīng)計算得出優(yōu)化后各參數(shù)最佳解，優(yōu)化前后各參數(shù)對比見表5。

表5 優(yōu)化前后各參數(shù)對比Tab.5 Comparison of parameters before and after optimization

圖11，12示出了X平面優(yōu)化前后速度與顆粒體積分?jǐn)?shù)分布。

圖11 X平面速度分布Fig.11 Velocity distribution in X plane

圖12 X平面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布Fig.12 Distribution of particle volume fraction in X plane

從中可以明顯看出，經(jīng)過對預(yù)旋盆圓坑深度、圓角直徑和導(dǎo)流管入口高進(jìn)行優(yōu)化，大幅提升了徑向隔流堰左側(cè)的液相流速，從顆粒體積分?jǐn)?shù)分布來看，優(yōu)化后基本沒有顆粒會停滯隔流堰左側(cè)因此減少造成的沉積。

圖13示出了Y平面速度和體積分?jǐn)?shù)分布，圖14示出了顆粒運動軌跡。從Y平面上可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后從進(jìn)水管進(jìn)入筒體的顆粒，在撞擊到筒壁之后由于結(jié)構(gòu)與流場的隔流式預(yù)制泵站在右側(cè)預(yù)旋盆中會產(chǎn)生較多的沉積。

圖13 Y平面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布Fig.13 Distribution of particle volume fraction in Y plane

圖14 顆粒運動軌跡Fig.14 Particle movement track

對比隔流式預(yù)制泵站優(yōu)化前后顆粒運動軌跡可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計可以有效減少從兩側(cè)逃逸至徑向隔流堰左側(cè)的顆粒，而且可以增加進(jìn)水管一側(cè)流場速度，從而避免顆粒運行至壁面后失去動能從而停滯進(jìn)行沉積。

4 結(jié)論

（1）采用DPM數(shù)值分析了圓筒式一體化預(yù)制泵站內(nèi)沉積特性，結(jié)果表明：隨著懸空高、泵間距的增大，沉積率逐漸增大；隨著中心距的增大，沉積率先增大后減?。粓A筒式內(nèi)部沉積率較大，易發(fā)生沉積。

（2）基于圓筒式預(yù)制泵站流動特性分析，將圓筒式結(jié)構(gòu)改為隔流式，增加了橫向、徑向隔流堰以及預(yù)選旋盆結(jié)構(gòu)，數(shù)值結(jié)果表明：改進(jìn)后的隔流式預(yù)制泵站內(nèi)沉積率較圓筒式預(yù)制泵站沉積率下降20%以上。

（3）采用RSM對改進(jìn)后的隔流式預(yù)制泵站的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為預(yù)旋盆圓坑深度146 mm、預(yù)旋盆圓角直徑140 mm、導(dǎo)流管入口高20 mm，此時預(yù)制泵站內(nèi)沉積率降至25.4%。