王 強，林智康，袁 堯，陳玉龍，楊 帆

（1.常州市水利規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 常州 213002；2. 揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009；3. 江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210000；4. 常州市水利建設(shè)投資開發(fā)有限公司，江蘇 常州 213000）

立式軸流泵站機組具有揚程低、流量大、運行穩(wěn)定、可靠性高、投資省和安裝檢修方便等優(yōu)點，其被廣泛運用于農(nóng)業(yè)灌溉、城市排澇及調(diào)水工程中[1]。針對軸流泵站機組水力特性和結(jié)構(gòu)性能的研究，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作并取得了不少的研究成果：許哲等[2]研究了泵裝置在正反向飛逸過渡過程的差異性,采用流體體積函數(shù)法分析上下游水氣兩相分布,利用力矩平衡方程推導(dǎo)葉輪實時轉(zhuǎn)速,并結(jié)合熵產(chǎn)理論進行分析；Li等[3]采用熵產(chǎn)理論探究了葉根間隙對軸流泵裝置機械耗散的影響；Yang等[4]結(jié)合物理模型試驗和數(shù)值模擬研究了虹吸出水流道駝峰段流場和壓力波動的變化規(guī)律；金海銀等[5]探究了箱涵式雙向立式泵裝置性能與導(dǎo)葉體對泵裝置效率的影響。隨著工程技術(shù)人員和科研人員對泵站裝置內(nèi)部流動認識的加深，泵裝置流道內(nèi)部流動的分析應(yīng)考慮泵與流道內(nèi)流的相互作用，尤其是導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量對出水流道內(nèi)流場的影響[6-8]，學(xué)者們對泵裝置流道的研究更多地基于泵裝置全流道而非以往采用獨立的方法開展研究，研究方法主要為模型試驗和數(shù)值模擬，如：戴景等[9]采用數(shù)值模擬對劉老澗抽水站原型泵裝置水泵工況與水輪機工況進行了全流場數(shù)值模擬以研究帶有簸箕型流道的大型具有反向發(fā)電功能泵站的水力性能；胡文竹等[10]采用數(shù)值模擬方法分析斜式軸流泵裝置流道內(nèi)部的流動特性；李超[11]對立式軸流泵裝置的內(nèi)流特性進行分析并對泵裝置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；劉超等[12]通過CFD軟件對設(shè)導(dǎo)流墩的雙向流道泵裝置內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬，獲得泵裝置內(nèi)部的三維流動速度場，并預(yù)測了泵裝置的性能。參考以往學(xué)者的研究經(jīng)驗，文章以魏村水利樞紐擴容改建工程的單向立式軸流泵站為研究對象，采用數(shù)值模擬技術(shù)對立式軸流泵裝置全流道進行三維數(shù)值計算，探究泵裝置進出水流道的內(nèi)部流動規(guī)律并預(yù)測泵裝置的能量性能，以期對采用相似結(jié)構(gòu)的泵裝置的穩(wěn)定運行與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

1 工程概況

魏村水利樞紐是國家治太骨干工程湖西引排的主要工程之一，在區(qū)域乃至流域防洪、排澇、灌溉、航運及水環(huán)境保護等方面發(fā)揮了重要作用，工程引水灌溉0.93萬hm2，排澇面積133 km2。該水利樞紐擴容改建工程由船閘、節(jié)制閘和泵站組成，泵站和節(jié)制閘采用閘站結(jié)合布置形式。泵站為大（2）型泵站，設(shè)計排水流量為160 m3/s，設(shè)計引水流量為60 m3/s，采用5臺套立式軸流泵機組，配2600kW立式同步電機，總裝機容量13000 kW，葉輪直徑為3100 mm，轉(zhuǎn)速為125 r/min，葉片角度采用液壓全調(diào)節(jié)方式，采3臺機組為雙向立式軸流泵機組，2臺機組為單向立式軸流泵機組。泵站運行水位，見表1，其中泵裝置揚程已考慮了攔污柵及門槽水力損失0.2m、流道出口水位雍高及過柵水力損失0.1m。魏村水利樞紐擴容改建工程的單向立式軸流泵裝置的泵房剖面示意圖，泵房剖面圖,見圖1。

圖1 泵房剖面圖

表1 泵站運行水位

2 計算模型及邊界條件

2.1 泵裝置模型與網(wǎng)格剖分

立式軸流泵裝置計算域包括箱涵式進水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、蝸殼式出水流道、進水流道的延伸段和出水流道的延伸段共6個部分，三維模型，見圖1。葉輪名義直徑為3150 mm，葉片安放角為0°，轉(zhuǎn)速為125 r/min，葉輪葉片數(shù)為3，導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為6。箱涵式進水流道的導(dǎo)流錐進口面直徑為1.355D（其中，D為葉輪名義直徑），進口面寬度為2.903D、進口面高度為1.387D，流道長度為6.317D；蝸殼式出水流道的導(dǎo)流錐出口面直徑為1.935D、出水喇叭管出口面直徑為2.032D、出口面寬度為2.903D、出口面高度為1.419D，流道長度為8.482D。根據(jù)各計算域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，葉輪、導(dǎo)葉體、箱涵式進水流道和蝸殼式出水流道采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，前池和出水池采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，參考文獻[7]的研究方法并經(jīng)網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性分析，立式軸流泵裝置的網(wǎng)格數(shù)量為297萬。

2.2 控制方程與邊界條件

當(dāng)流體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)機械中進行能量轉(zhuǎn)換時，必須遵循相應(yīng)的物理規(guī)律，這些物理規(guī)律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。由于文章的研究對象為立式軸流泵裝置，工作介質(zhì)為水，可以采用不可壓縮假設(shè)，認為水為不可壓縮流體。在對立式軸流泵裝置進行數(shù)值模擬時，由于忽略流體中的熱交換，故在三維流動數(shù)值計算僅考慮質(zhì)量守恒定律與動量守恒定律。泵裝置內(nèi)水流流動為三維湍流流動，該流動可用連續(xù)性方程和N-S方程對湍流的瞬時運行進行表述，考慮湍流流動的脈動特性，目前在泵裝置內(nèi)流計算中廣泛采用了時均法，即把湍流運行當(dāng)作是時間平均流動和瞬時脈動流動的疊加。為了使方程組封閉，采用標(biāo)準k-ε湍流模型，該模型計算效率高的同時有良好的精度，在大量的研究和工程實際中廣泛使用[12-13]。立式軸流泵裝置的進口采用速度進口邊界條件，設(shè)置于進水流道的延伸段進口面；出口采用自由出流邊界條件，設(shè)置于出水流道的延伸段出口面；葉輪、導(dǎo)葉體、箱涵式進水流道、蝸殼式出水流道、進水延伸段和出水延伸段的邊壁均設(shè)置為無滑移壁面；進水延伸段及出水延伸段的表面為自由液面，忽略水面的風(fēng)所引起的切應(yīng)力及其與大氣層的熱交換，采用對稱平面處理。立式軸流泵裝置的箱涵式進水流道的雷諾數(shù)為1.513×107，蝸殼式出水流道的雷諾數(shù)為1.373×107，表明該泵裝置的進出水流道內(nèi)的水流均處于阻力平方區(qū)。計算工況：設(shè)計揚程4.71m，流量為32m3/s；最高揚程5.25m，流量為29.7 m3/s。

3 結(jié)果分析

箱涵式進水流道的流場，見圖2，其中流道橫剖面的位置為0.5倍流道進口高度，豎剖面的位置為流道喇叭管中心。箱涵式進水流道內(nèi)部水流流動可分為2個階段：①在流道內(nèi)從四周向喇叭管的匯集流動階段；②水流進入喇叭管后的流場調(diào)整階段。在匯集流動階段，一部分水流從喇叭管前直接進入喇叭管，一部分水流繞至兩側(cè)進入喇叭管，還有一部分水流繞至蝸殼后部進入喇叭管；箱涵式進水流道后壁空間很大，在后壁處存在大范圍的滯水區(qū)；水流從四面匯集進入喇叭管后流場得到進一步調(diào)整，在喇叭管出口處水流趨向于均勻分布和垂直于出口斷面。進水流道的流態(tài)總體上符合收縮均勻、轉(zhuǎn)向有序的基本要求。采用流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角反應(yīng)水流的均勻程度以及水流方向與出口斷面的垂直程度，其計算式如下：

圖2 箱涵式進水流道的流場圖

軸向流速分布均勻度[11]：

式（1）和式（2）中：Vau為軸向流速分布均勻度；θ為速度加權(quán)平均角；uai為斷面各單元的軸向速度；ua為斷面的平均軸向速度；uti為斷面各節(jié)點的橫向速度，Ai為流場數(shù)值計算時該斷面所劃分的網(wǎng)格單元面積。

在設(shè)計揚程工況時，箱涵式進水流道出口面的軸向流速分布均勻度為95.04%，速度加權(quán)平均角為87.27°，流道水力損失為0.219m。

為更好地說明蝸殼式出水流道的流場特征，沿流道的橫向和縱向共截取6個不同位置的特征剖面，各特征剖面的位置，蝸牛式出水流道各剖面位置示意圖，見圖3。其中橫剖面（上）、橫剖面（中）、橫剖面（下）為橫斷面，以出水流道底部為基準面，各斷面距基準面的距離分別為：橫剖面（下）為0.182D、橫剖面（中）為0.627D橫剖面（上）為1.077D；斷面4-4、斷面5-5和斷面6-6為縱斷面，以出水流道水平中心線為基準，各斷面距基準面的距離分別為：縱剖面（左）為1.01D、縱剖面（中）為0.0D，縱剖面（右）為-1.01D，各蝸殼式出水流道流場，見圖4。蝸殼式出水流道的內(nèi)部水流受導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量的影響明顯，水流呈螺旋狀進入蝸殼式出水流道，水流在出水喇叭管與出水導(dǎo)水錐構(gòu)成的通道內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊向四周擴散，流出喇叭管與導(dǎo)水錐構(gòu)成的通道的水流向四周成輻射狀急劇轉(zhuǎn)向并擴散，一部分水流向后壁流動，一部分水流向左右兩側(cè)壁流動，受后壁和側(cè)壁的阻擋影響，水流在立面上形成旋渦，后壁和兩側(cè)壁的水流在落到流道下半部以后轉(zhuǎn)向流道出口流動，還有一部分水流直接向流道出口流動，水流經(jīng)直線段調(diào)整后流向出水池。蝸殼式出水流道的內(nèi)部流態(tài)滿足穩(wěn)定、高效運行的要求，水力性能較好。在設(shè)計揚程工況時，蝸殼式出水流道的水力損失為0.564m。

圖3 蝸殼式出水流道各剖面位置示意圖

在軸流泵裝置全流道數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，采用文獻[14]中的方法對泵裝置的能量性能進行預(yù)測，在設(shè)計揚程4.71m時，泵裝置流量為32m3/s，效率為72.5%；在最高揚程5.25m時，泵裝置流量為29.7m3/s，效率為71.3%。

4 結(jié) 論

1）箱涵式進水流道的流態(tài)總體上符合收縮均勻、轉(zhuǎn)向有序的基本要求，在設(shè)計揚程工況時，箱涵式進水流道出口面的軸向流速分布均勻度為95.04%，速度加權(quán)平均角為87.27°，流道水力損失為0.219m。蝸殼式出水流道的內(nèi)部流態(tài)滿足穩(wěn)定、高效運行的要求，水力性能較好，在設(shè)計揚程工況時，蝸殼式出水流道的水力損失為0.564m。

2）基于泵裝置全流道的三維數(shù)值計算結(jié)果，在設(shè)計揚程4.71m時，泵裝置流量為32m3/s，裝置效率為72.5%；在最高揚程5.25m時，泵裝置流量為29.7m3/s，效率為71.3%。