王勝己

(上海市政工程設(shè)計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

某水廠一期工程的二級泵房吸水井在建設(shè)時，因施工問題，吸水井及泵房被抬高1.5 m，存蓄水量無法用足，導(dǎo)致清水池最低運行液位需比原設(shè)計值高1.5 m。目前，清水池運行過程中，液位處于-6 m時，二級泵房可正常運行，直接觀察吸水井狀況，井內(nèi)水面無任何夾氣現(xiàn)象，水泵無振動，多年運行未發(fā)現(xiàn)水泵氣蝕。但水廠實際未曾將運行液位進(jìn)一步降低，以判斷水泵可運行的最低液位。如能判定最低運行液位，則意味著清水池液位可進(jìn)一步降低，具有更多的調(diào)蓄容積，有利于整個水廠的運行安全、穩(wěn)定、高效。

現(xiàn)階段的研究集中在對吸水井尺寸的優(yōu)化設(shè)計[1]和運行過程中產(chǎn)生問題的思考總結(jié)。顧軍明[2]通過實際運行中發(fā)現(xiàn)的問題，對吸水井的布置經(jīng)驗提出自己的總結(jié)；張華生[3]通過分析泵站水泵運行效率較低的原因，提出了提高吸水井液位等以減少水泵揚程的浪費；王家民[4]總結(jié)了給水廠二泵吸水井工藝設(shè)計要點。還有很多學(xué)者運用CFD數(shù)值模擬方法對流態(tài)進(jìn)行研究[5-7]。但是，運用CFD數(shù)值模擬方法探究不同液位對二級泵房吸水井出水效果影響，以及利用壓力場、湍流黏度場進(jìn)行對比分析的相關(guān)研究較少。因此，本文運用數(shù)值模擬方法，選取3種不同高度液位，對二級泵房吸水井的流場、壓力場、湍流黏度場及速度矢量場進(jìn)行模擬分析，其結(jié)果對今后的設(shè)計工作具有較強的參考價值，有利于降低工程試錯成本，為進(jìn)一步降低最低運行液位提供技術(shù)支撐。

1 模型建立

1.1 構(gòu)造模型

模型按照吸水井實型并進(jìn)行合理簡化后，采用Ansys16.0軟件建立。模型長為20.3 m，寬為6 m，高為H，如圖1所示。

圖1 吸水井模型建立Fig.1 Modeling of Suction Well

在液位處于-6 m時，二級泵房正常運行，即此時H=3.6 m，定為工況一。為判定可運行的最低液位，需對模型進(jìn)行修改，即建立另外2種新的模型，分別為工況二(H=3.3 m)和工況三(H=3.0 m)。吸水井進(jìn)口尺寸為1.6 m×1.6 m，吸水井出口即喇叭口為一同心異徑管，尺寸為DN1200×DN1800。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用Ansys軟件中Mesh對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對整個個體(吸水井模型)采用混合網(wǎng)格，即采用四面體和正六面體混合。網(wǎng)格數(shù)量劃分太多會造成計算時間大幅增加，嚴(yán)重消耗計算機內(nèi)存。網(wǎng)格數(shù)量較少，又會造成結(jié)果不準(zhǔn)確，不能很好地表達(dá)整個空間的流場情況。因此，經(jīng)過網(wǎng)格獨立化檢驗后，對整個體網(wǎng)尺寸控制為0.2 m，對局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，尺寸控制在0.1 m，最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，共64萬個網(wǎng)格。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，并運用Fluent對其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。未采用非穩(wěn)態(tài)模型是因為研究對象是在一個較穩(wěn)定的狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)，與吸水井液位高低關(guān)系密切，而與同一液位時，二級泵房的運行時間長短無關(guān)，故采用穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬較符合實際。

圖2 吸水井模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of Suction Well Model

1.3 邊界條件

該水廠二級泵房土建按照28萬m3/d規(guī)模建成，吸水井2個喇叭口分別連接2臺現(xiàn)狀離心變頻泵，流量均為1.62 m3/s，而吸水井僅有一個方形進(jìn)口，尺寸為1.6 m×1.6 m，換算得出進(jìn)口流速為1.266 m/s。

模型唯一水流進(jìn)口采用速度入口，2個出口采用壓力出口，不固定出口的某一速度值是由于采用穩(wěn)態(tài)模型，整個模型最終會達(dá)到壓力平衡，質(zhì)量守恒且進(jìn)出口流量守恒，這樣更符合實際工況。其他表面均設(shè)為wall，但需要說明的是，模型的上表面實際上是水面與空氣表面的交界面，在此處假設(shè)為wall與實際情況略有區(qū)別。在實際情況中，當(dāng)流動達(dá)到穩(wěn)定，特別是二級泵房正常運轉(zhuǎn)時，水面的波動很小，水面與空氣的質(zhì)換也很小，此時假設(shè)交界面為wall不會對模擬結(jié)果造成太大影響；當(dāng)水面波動較大時，會產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象，這也是二級泵房設(shè)計和運行中最為擔(dān)心的問題，一旦出現(xiàn)夾氣，會導(dǎo)致嚴(yán)重的氣蝕，影響水泵壽命。而深究其原因為受力不均，雖然將上表面設(shè)定為平面，在穩(wěn)態(tài)單相模擬中無法體現(xiàn)質(zhì)的交換，但其仍可反映交界面或任意面的受力情況。因此，將模型的氣液交界面定義為wall平面，既能真實地體現(xiàn)實際流動情況，又減少了計算所需內(nèi)存，加快了計算時間。

2 參數(shù)分析

對于流場的判定，速度云圖最為直觀，該參數(shù)可較清晰地看出整個空間流場的速度分布情況，此時的速度只有大小沒有方向，數(shù)值為該點的速度矢量在該平面的投影數(shù)值。速度矢量圖可表示任一點的速度大小和方向，但是受制于圖片的二維表達(dá)，不容易直觀看出整體的流動情況。通過兩者云圖的觀察，可判定不同模型不同工況下流場的相似性。

流體流動的驅(qū)動力為密度差和壓力差，同一種物質(zhì)在相同溫度下的流動問題，驅(qū)動力只有壓力差，即為該研究對象流動的情況。速度場的分布與壓力場密切相關(guān)，可通過壓力場的分布研究流體的流動情況。在湍流時，流體內(nèi)部充滿了有大有小的旋渦，流體質(zhì)點不規(guī)則遷移、脈動和碰撞，使流體質(zhì)點動量交換非常劇烈，這就是湍流應(yīng)力，其與湍流黏度正相關(guān)，計算如式(1)。湍流黏度是指當(dāng)流體流動處于湍流狀態(tài)時，隨機脈動造成的強烈渦團擴散和級聯(lián)散列。

(1)

其中：τ——湍流應(yīng)力，Pa；

μ——動力黏度，物性參數(shù)，Pa·s；

e——湍流黏度，Pa·s；

u——速度，m/s；

y——距離，m。

因此，湍流黏度越大，湍流切應(yīng)力越大，流體就會表現(xiàn)出更多更大的渦旋，繼而產(chǎn)生層與層之間劇烈的動量交換。在此模型中，如果上層平面湍流黏度大，雖然交界面定義為固體平面，但仍舊會產(chǎn)生流動旋渦，大概率產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象。

綜上，對此問題研究應(yīng)采用速度場、壓力場和湍流黏度場的對比分析，可得判定最低運行液位的依據(jù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3～圖4所示。圖3為不同液位高度時不同平面的速度云圖，圖4為不同工況下的壓力云圖。3種工況區(qū)別在于不同的H，即不同的最低運行液位；h為某一種工況下，取不同液位橫截面的高度值，如H=3.0 m、h=2.0 m，是在運行液位為3.0 m的工況下，液位高度為2.0 m處橫截面的參數(shù)情況。在h=2.0、1.5 m時，3種不同工況下速度場和壓力場相似；在h=2.5 m時，工況一和工況二速度場和壓力場相似，但有別于工況三。這是因為工況一運行液面較高，最低液位處于3.6 m，與h=2.5 m的液面距離氣液分界面高度差大，因此，對速度場的影響較小。但工況三在h=2.5 m時距離液面只有0.5 m，由于受到較大的壓力波動，此液面變化較大，影響了整個空間流體流動，這也與最低運行液位越低，越可能產(chǎn)生夾氣的實際現(xiàn)象吻合。當(dāng)所取液面較低(h=2.0 m)時，與氣液分界面越遠(yuǎn)，影響越小。所以，研究重點可放在靠近氣液分界面的位置，當(dāng)不同工況不同參數(shù)所示云圖，距離氣液分界面越近的面，相似性越高，則2種工況流態(tài)相似性越高。

圖3 不同工況不同平面速度云圖Fig.3 Cloud Diagrams of Different Plane Speed under Different Working Conditions

圖4 不同工況不同平面壓力云圖Fig.4 Cloud Diagrams of Different Plane Pressure under Different Working Conditions

此處采用湍流黏度場進(jìn)行對比分析，如圖5所示。工況一在h=2.5 m的條件下，平面湍流應(yīng)力在出口處即水泵入口處較大，越遠(yuǎn)離出口，湍流應(yīng)力越小，且梯度分布明顯。這說明此時流動有序，在出口處易產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象。隨著H的降低，湍流黏度場越無序，且在兩出口中間位置梯度變化越大，將產(chǎn)生較強烈的波動，極可能產(chǎn)生質(zhì)的交換。

圖5 不同工況下同一液位高度的湍流黏度場Fig.5 Turbulent Viscosity Field at Same Liquid Level under Different Working Conditions

因此，若將清水池最低運行液位由3.6 m降低至3.3 m基本可行，但若需降至3.0 m有一定風(fēng)險。

4 優(yōu)化設(shè)計

為了進(jìn)一步降低清水池最低運行液位，結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，考慮采用增加隔板或加設(shè)彎頭的做法，建模工況四如圖6所示。工況四在工況三的基礎(chǔ)上，吸水井出口處增設(shè)45°彎頭，使吸水面降低，平面越低流動越穩(wěn)定，由此，可使最低運行液位降低。圖7為工況五模型，是在工況三的基礎(chǔ)上，出口頂部設(shè)置長隔板，隔板寬度為2 m，相當(dāng)于將氣液界面分隔開，使氣體難以進(jìn)入出口而形成夾氣，同時，減少隔板下部水流的豎向作用，使流動更有序。

圖6 吸水井工況四模型Fig.6 Model of Suction Well under Working Condition 4

圖7 吸水井工況五模型Fig.7 Model of Suction Well under Working Condition 5

由圖8可知，增加彎頭后進(jìn)口高度發(fā)生變化，在h=2.5 m時，工況五較工況四流動更均勻，工況四出口位置發(fā)生變化，雖然在此高度湍流應(yīng)力較大，但模擬過程中發(fā)現(xiàn)，在較低的進(jìn)口處，流態(tài)良好。工況五的湍流應(yīng)力表現(xiàn)為水流與隔板的作用力，并未與氣體接觸，且從流場觀察，流態(tài)良好。

為進(jìn)一步分析5種工況的流態(tài)情況，對比5種不同工況下的速度矢量圖，如圖9所示。工況一和二流動較均勻且相似。工況三在出口處速度在大小和方向上變化明顯，速度梯度分布較大，易形成湍流漩渦極可能產(chǎn)生夾氣。工況五受到隔板阻隔作用，相比于工況三，流動更均勻，梯度較小，出口區(qū)域流動穩(wěn)定，同時隔板還可以有效減小水面與空氣接觸面積，降低夾氣風(fēng)險，此種方式需要注意隔板受力及需采用合理的固定方式。工況四與工況三相似，由于進(jìn)口采用彎頭，進(jìn)口液位相對降低，同樣降低了夾氣的可能，但需要注意出口高度不可過低，過低可能產(chǎn)生較大的水流渦旋，同樣不利于水泵均勻進(jìn)水，水泵效率降低，嚴(yán)重時使池底沖刷，同樣引發(fā)氣蝕，影響運行安全。由圖8～圖9可知，工況一、二流態(tài)相似，工況三流態(tài)相對較差，但在工況三基礎(chǔ)上增設(shè)隔板或彎頭，可降低水面與空氣面接觸面積，從而降低夾氣可能性，增設(shè)擋板還可一定程度上優(yōu)化流態(tài)，使流動更均勻。

圖8 不同工況下同一液位高度云圖Fig.8 Cloud Diagram of Different Parameters at Same Liquid Level under Different Working Conditions

圖9 不同工況下同一液位高度速度矢量圖Fig.9 Speed Vector Diagram at Same Liquid Level under Different Working Conditions

5 結(jié)語

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，研究二級泵房吸水井不同液位對吸水效果的影響。通過對上述5種不同工況的模擬，對模擬結(jié)果對比分析可知，在清水池液位處于-6 m正常運行(H=3.6 m)的前提下，當(dāng)不采用其他措施時，此清水池最低運行液位可考慮降低0.3 m至-6.3 m，當(dāng)采用增加隔板和設(shè)置45°彎頭的措施時，可考慮將清水池最低運行液位降低0.6 m至-6.6 m。在增加其他措施時是否可進(jìn)一步降低，還需進(jìn)一步論證。

運行液位過低，不利于二級泵房水泵的運行，當(dāng)液位降至一定程度時，將大概率產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象，此時采用增加隔板和增設(shè)彎頭的方式，可增加運行的安全性，大大降低夾氣發(fā)生的概率。

對于此種問題采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并加入速度場、壓力場、湍流黏度進(jìn)行分析，可以較準(zhǔn)確地反映整個流場的情況且可較清楚地闡釋運行液位變化時流態(tài)變化的原理。該種分析方法對今后的設(shè)計工作具有較強的參考價值。