全 莉，劉 穎，吳澤昊，嚴 杰

平面S型軸伸貫流泵裝置泵內流動特性研究

全 莉，劉 穎*，吳澤昊，嚴 杰

（揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225009）

【目的】探究低揚程泵站平面S型泵裝置內壓力脈動特性和流動穩(wěn)定性。【方法】采用軟件CFX開展三維全流道數(shù)值模擬，湍流模型選擇為RNG。采用快速傅里葉變換對壓力信號進行處理，在Ansys后處理系統(tǒng)中對流場數(shù)據(jù)進行可視化處理。分析了小流量工況0.8d、設計工況d和大流量工況1.2d等3個典型工況下泵裝置內的流動特性、壓力脈動特性和渦量分布特性?！窘Y果】進水流道內水流流態(tài)穩(wěn)定，流量工況主要影響出水流道內的流動穩(wěn)定；葉輪內壓力脈動激勵源為葉輪的旋轉作用，在葉輪進口脈動頻率成分復雜，主頻為葉頻；而葉輪出口脈動幅值較小，存在明顯的低頻脈動；進水流道內水流渦量接近0，葉輪室、導葉室和出水流道內的渦量差別很大，受到葉輪的旋轉擾動葉輪室內和導葉室內流場渦量最大。小流量工況下泵段和出水流道內的渦量差異最大，隨著流量的增大渦量減小。【結論】渦量分布規(guī)律與泵裝置內流態(tài)變化一致，這從能量的角度解釋了不同流量工況下流動穩(wěn)定差異的原因。研究結果對充分了解平面S型泵裝置內流動特性和流動穩(wěn)定機理提供理論指導，對工程運行提供借鑒意義。

平面S型軸伸貫流泵；渦量；壓力脈動；流動特性；數(shù)值模擬

0 引 言

【研究意義】隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展，同時伴隨著“雙碳”戰(zhàn)略的提出，社會能源平衡和水資源區(qū)域平衡的重要性更加突出，為滿足跨流域調水的重要需求，全國修建了大量的泵站[1]。水泵是區(qū)域調水的核心，根據(jù)流量和揚程的不同，水泵主要分為離心泵、軸流泵以及混流泵[2]。其中，在低揚程的供水工程中軸流泵使用較多，根據(jù)安裝布置形式軸流泵可分為立式軸流泵、斜流式和平面式，平面S型水泵機組是平面式水泵的一種[3]。開展平面S型軸伸貫流泵裝置內的流動穩(wěn)定性機理研究對提高水泵的工程運行和優(yōu)化設計具有重要的學術價值和工程價值?！狙芯窟M展】近年來，平面S型軸伸貫流泵在低揚程泵站中得到了大量的應用。同時，國內外專家對于這種泵裝置內的流動特性開展了大量的試驗和數(shù)值計算研究。仇寶云等[4]通過對低揚程大型泵站單管出水流道進行研究，提出了后導葉設計方法。陸偉剛等[5]通過全流道的模擬開發(fā)，使得軸伸貫流泵裝置運行效率達到83.55%[6]。劉超[7]總結了低揚程泵站的發(fā)展趨勢，介紹了大型低揚程泵裝置中出水流道的內部流動特征。這些研究促進了平面S型軸伸貫流泵裝置的研發(fā)和優(yōu)化。但是，對于低揚程平面S型軸伸貫流泵內的流動穩(wěn)定性的研究仍然有很大的空間?！厩腥朦c】本文針對低揚程泵站平面S型泵裝置內壓力脈動特性和流動穩(wěn)定性，采用軟件CFX開展三維全流道數(shù)值模擬?！緮M解決的關鍵問題】本文通過分析不同流量工況下泵裝置內的流動特性、壓力脈動和渦量分布特性，以探究平面S型泵裝置內的流動特性，為平面S型軸伸泵裝置的優(yōu)化設計提供理論指導，研究結果具有重要的學術意義和工程意義。

1 研究背景及方法

1.1 研究背景

本文研究背景為黃金泵閘站中一平面S型軸伸貫流泵裝置。研究對象為相同的水力模型，其葉輪直徑為300 mm的平面S型軸伸貫流泵裝置。

1.2 計算模型

1.2.1 幾何模型及其參數(shù)

泵裝置包含進水流道、葉輪室、后置導葉、出水流道，為保證進出水水流的平順性和與實際流動情況接近，在進出水流道前分別建立進水池和出水池等延伸段，計算模型如圖1所示。葉輪葉片數(shù)為4，葉輪直徑為300 mm，葉頂間隙0.2 mm，導葉數(shù)為7。水泵設計流量工況為220 L/s。采用Turbogrid完成導葉和葉輪的網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格。對進出水流道及延伸段采用ICEM中完成六面體結構化網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格質量均大于0.35，網(wǎng)格角度介于24°～155°之間。采用水力損失評判網(wǎng)格無關性，不同網(wǎng)格數(shù)量時泵裝置總水力損失如圖3所示。當網(wǎng)格數(shù)量超過410萬時，總水力損失無明顯變化，相對誤差控制在±3%以內，此時網(wǎng)格數(shù)量可滿足計算要求。圖4為計算模型壁面+值分布，+值最大值接近300，在進出水流道處。

圖1 計算模型

圖2 網(wǎng)格圖

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)泵裝置水力損失

圖4 泵裝置全流道y+值分布云圖

1.2.2 邊界條件及計算參數(shù)

本文計算模型進口采用質量流量邊界條件，出口采用壓力邊界，壁面采用無滑移壁面，葉輪進出口的交界面采用動靜交界面。對于非定常動靜交界面采用Transient Rotor Stator。壓力脈動測點選擇在葉輪進口、葉輪出口、導葉出口，如圖5所示。首先采用定常計算對模型進行全流道數(shù)值模擬，獲得機組能量性能曲線。然后，對小流量工況0.8d、設計流量工況d和大流量工況1.2d等3個流量工況進行非定常計算，計算周期為6個葉輪旋轉周期，計算步長為葉輪旋轉2°的時長。計算過程選用迎風格式，收斂精度設置為10-4。

圖5 壓力脈動監(jiān)測點位置

1.3 數(shù)學模型

1.3.1 控制方程

本文計算模型中水流為常溫水，沒有熱量交換故忽略能量守恒定律，流動過程主要考慮流體的各物理量對空間的分布和隨時間的演化，對不可壓縮流體，主要是滿足質量守恒和動量守恒[8-10]。

質量守恒方程：

動量方程：

1.3.2 湍流模型

在CFD計算過程中，先后形成了多種湍流模型，其中RNG湍流模型考慮了平均流動中的旋轉流動情況，更適合于計算高應變率和流線彎曲程度較大等較為復雜的流動情況[11-13]，在旋轉水力機械中得到大量的應用，因此，本文中湍流模型選擇為RNG湍流模型。

2 結果與分析

2.1 流場特性分析

圖6為不同流量工況下泵裝置整體的流動分布。不同工況下泵裝置進水流道內流態(tài)和速度表明進水流道內流動平順。葉輪室和導葉室及出水流道內的水流流態(tài)差別比較大，明顯可以看出流量越大出水流道內的水流越平順，旋轉流距離泵出口越遠。小流量工況下出水口水流旋轉流距離出水口較近。這說明流量對于平面S型泵裝置內的流動影響主要集中在泵段和出水流道內，流量越大出水流道內水流流態(tài)越平順，流量越小出水流道內流態(tài)越差，水流越容易出現(xiàn)旋轉流動。不同流量工況下出水段S型過渡位置存在水流交匯的旋轉流動和流速不均勻分布，說明平面S型出水流道過渡段會影響水流的平穩(wěn)流動。

圖6 不同流量工況泵裝置流線圖

2.2 壓力脈動頻域特性分析

進一步分析平面S型軸伸貫流泵裝置內壓力脈動特性，對壓力脈動時域數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到泵裝置不同位置的壓力脈動頻域特性數(shù)據(jù)。采用無量綱壓力脈動系數(shù)p值來表征葉輪進出口和導葉出口的壓力脈動幅值，p值主要反映了由葉輪旋轉誘導的壓力脈動，與葉輪的旋轉有直接的內在關系[14-15]，p值定義如下：

1）小流量工況下，葉輪進口壓力脈動主頻為83.33 Hz，主頻幅值p值為0.008 7；葉輪出口壓力脈動主頻為41.66 Hz，主頻幅值p值為0.003 2；導葉出口壓力脈動主頻為27.83 Hz，主頻幅值p值為0.004 2。可以看到，小流量工況下葉輪進口壓力脈動的主頻均為葉頻，葉輪出口壓力脈動主頻為2倍葉輪轉動頻率，導葉出口壓力脈動主頻為1.3倍葉輪轉動頻率，說明小流量工況下在葉輪內部壓力脈動激勵源為旋轉的葉輪，經過導葉的整流，葉輪的旋轉作用對導葉出口壓力脈動的影響程度減弱。在葉輪進口存在葉頻的諧波成分，而葉輪出口諧波成分幅值較小。導葉出口壓力脈動頻率成分復雜，存在明顯的低頻脈動，但在1倍葉輪轉動頻率處脈動幅值較大，這說明葉輪作為一個激勵源對導葉出口流場仍有影響。

圖7 小流量工況下泵裝置壓力脈動頻域曲線

2）設計流量工況下，葉輪進口壓力脈動主頻為83.33 Hz，主頻幅值p值為0.007 9；葉輪出口壓力脈動主頻為41.66 Hz，主頻幅值p值為0.002 7；導葉出口壓力脈動主頻為27.83 Hz，主頻幅值p值為0.003 7。設計流量工況下葉輪進口壓力脈動的主頻均為葉頻，葉輪出口壓力脈動主頻為2倍葉輪轉動頻率，導葉出口的壓力脈動主頻為1.3倍葉輪轉動頻率，在葉輪進出口和導葉的出口也存在高階諧波。設計流量工況下泵裝置內壓力脈動頻率特性與小流量工況下壓力脈動頻率特性基本一致，但是幅值明顯減小。

圖8 設計流量工況下泵裝置壓力脈動頻域曲線

3）大流量工況下，葉輪進口壓力脈動主頻為83.33 Hz，主頻幅值p值為0.007 1；葉輪出口壓力脈動主頻為83.33 Hz，主頻幅值p值為0.002 2；導葉出口壓力脈動主頻為41.66 Hz，主頻幅值p值為0.004 1?？梢钥吹?，大流量工況下葉輪進口和葉輪出口的壓力脈動主頻均為葉頻，導葉出口壓力脈動主頻頻率為2倍葉輪轉動頻率，這說明大流量工況下葉輪的旋轉作用對葉輪進出口和導葉出口的壓力脈動激勵強度占主導作用，并且受葉輪旋轉作用的影響，葉輪進出口壓力脈動在葉輪轉頻整數(shù)倍處存在明顯的諧波成分。

圖9 大流量工況下泵裝置壓力脈動頻域曲線

2.3 泵裝置流動穩(wěn)定性分析

為進一步分析泵裝置內流動穩(wěn)定性，采用渦量表征全流道內的流動穩(wěn)定性，渦量的大小代表流場內的旋度，通過流體力學理論可知，渦量在一定程度上旋度代表了流動的穩(wěn)定性[16-17]。分析斷面如圖10所示。

圖10 渦量分布分析斷面位置

圖11為不同流量工況下泵裝置全流道內的渦量分布。不同流量工況下的渦量分布清晰的表明進水流道內水流渦量接近0，水流未發(fā)生旋轉流動，說明進水流道內能量分布均勻，水流流動穩(wěn)定，這與前面流動分析結果一致，驗證了流量工況對平面S型軸伸泵裝置內流動穩(wěn)定性影響較小。葉輪室內和導葉室內流場渦量最大，這是因為在泵段內流場受到葉輪的旋轉擾動，水流為旋轉流。不同流量工況下葉輪室、導葉室和出水流道內的渦量分布差別很大，這說明流量工況對葉輪進口后的水流穩(wěn)定性影響較大。小流量工況下泵段和出水流道內的渦量最大，不同位置差異很大，隨著流量的增大渦量減小，這說明流量越大平面S型泵裝置內的流場越穩(wěn)定，這從能量的角度解釋了前面不同流量工況下流動穩(wěn)定差異的原因。

圖11 不同流量工況下平面S型軸伸泵裝置內渦量分布

3 討 論

目前水泵的高效穩(wěn)定運行是水泵研發(fā)的重要指標，在特殊環(huán)境下由于上下游水位的限制使得常規(guī)的離心泵和立式軸流泵難以應用，低揚程泵站得到了大量的應用[1-2,14,17-18]。進出水流道是低揚程泵站重要的過流構筑物，根據(jù)進出水流道的形式，低揚程大型泵站通常包含肘形、鐘形、貫流式、斜式、簸箕形、箱涵式和平面蝸殼式等，平面S型軸伸貫流泵裝置是貫流泵裝置的一種，目前對于低揚程泵站內的流動研究形成了較多的研究成果[4-5,19]。

陳松山[20]指出在低揚程泵站中出水流道水力損失占泵裝置總水力損失比例較大，其水力設計合理性對泵裝置效率指標影響較大，流道中危害性漩渦存在會導致泵機組產生振動、噪音等，這與本文研究中得到的現(xiàn)象一致，本文通過分析流道不同位置的壓力脈動特性和流道內的渦量變化特性，得到之前研究沒有的研究成果。平面S型軸伸貫流泵裝置全流道內渦量分布揭示了流道內流動穩(wěn)定特性。不同流量工況下，進水流道、葉輪室、導葉室和出水流道內的渦量分布差別很大。受到葉輪的旋轉擾動，葉輪室內和導葉室內流場渦量最大。流量工況主要影響出水流道內的流動穩(wěn)定，流量越小出水流道內流態(tài)越差，水流越容易出現(xiàn)旋轉流動。平面S型軸伸泵裝置葉輪進口壓力脈動主頻為葉頻，壓力脈動激勵源為葉輪的旋轉作用，這與眾多葉片式水泵中葉輪內壓力脈動特性一致。葉輪進口存在葉片通過頻率的諧波成分，葉輪出口各測點葉片的高階諧波幅值較小。導葉出口各測點的壓力脈動頻率成分復雜，存在明顯的低頻脈動。小流量工況下泵段和出水流道內的渦量差異最大，隨著流量的增大，渦量減小，流量越大平面S型泵裝置內的流場越穩(wěn)定。這從能量的角度解釋了不同流量工況下流動穩(wěn)定差異的原因。

本文研究得到的一些現(xiàn)象與已有的研究結果一致[21-23]，不同流量工況下平面S型軸伸貫流泵裝置進水流道內水流流態(tài)穩(wěn)定。同時本文結合工程應用從流道內水流紊亂度的角度進一步研究了平面S型泵裝置內流動穩(wěn)定性和壓力脈動之間的內在關聯(lián)機理。研究成果對于工程中指導水泵運行和流道設計具有重要的意義。

4 結 論

1）不同流量工況下平面S型軸伸貫流泵裝置進水流道內水流流態(tài)穩(wěn)定。流量工況主要影響出水流道內的流動穩(wěn)定，流量越小出水流道內流態(tài)越差，水流越容易出現(xiàn)旋轉流動。

2）平面S型軸伸泵裝置葉輪進口壓力脈動激勵源為葉輪的旋轉作用葉輪進口存在葉片通過頻率的高階諧波，頻率在100 Hz以上，葉輪出口各測點葉片的高階諧波幅值較小。導葉出口各測點的壓力脈動頻率成分復雜，存在明顯的低頻脈動，在1倍葉輪轉動頻率處諧波成分幅值較大，說明葉輪旋轉對導葉出口流場仍有影響。

3）不同流量工況下，進水流道內水流渦量為0，葉輪室、導葉室和出水流道內的渦量分布差別很大，受到葉輪的旋轉擾動葉輪室內和導葉室內流場渦量最大。小流量工況下泵段和出水流道內的渦量差異最大，隨著流量的增大渦量減小，流量越大平面S型泵裝置內的流場越穩(wěn)定。

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Flow Characteristics in Plane S-type Axial Extended Tubular Pump

QUAN Li, LIU Ying*, WU Zehao, YAN Jie

(Yangzhou Survey, Design and Research Institute, Yangzhou 225009, China)

【Objective】The S-type axial extended tubular pump is a device widely used in various hydraulic engineering projects. The objective of this paper is to analyze the pressure pulsation characteristics and flow stability in the pump under different working conditions in low-lift stations.【Method】Three-dimensional full-channel numerical simulation is carried out with software CFX, and the turbulence model is selected as RNG. Fast Fourier transform (FFT) is used to process the pressure signal, and the flow data is visualized in the Ansys Post system. The flow characteristics, pressure pulsation characteristics and vorticity distribution characteristics in the pump unit under three typical conditions, 0.8d,dand 1.2d(dis the design flow condition) were analyzed.【Result】Flow pattern in the inlet of the channel is stable, and flow stability in the outlet of the channel is mainly affected by flow condition. The impeller's rotation serves as the excitation source of pressure pulsation in the pump, and there are high-order harmonics of blade frequency at the inlet of the impeller. The amplitude of high-order harmonics at the outlet of the impeller is small, and there are complex frequency components at the outlet of the guide vane, along with evident low-frequency pulsations. We also find that the flow vorticity in the inlet passage is zero, while the vorticity in the impeller chamber, guide vane chamber, and outlet passage is highly diverse. Due to the rotation disturbance of the impeller, the vorticity in the flow field in the impeller chamber and guide vane chamber is the largest. Under low flow condition, the difference in vorticity between the pump section and the outlet channel is the highest, while the vorticity decreases with increasing flow. This is consistent with the change of flow pattern in the pump device, thereby explaining, from an energy perspective, the reason for variation of the flow stability under different flow conditions.【Conclusion】Our results provide guidance for comprehending the mechanisms underlying flow characteristics and stability in the plane S-type pump device. They are helpful for engineering design.

plane S-type axial extension tubular pump; vorticity; pressure pulsation; flow characteristics; numerical simulation

全莉, 劉穎, 吳澤昊, 等. 平面S型軸伸貫流泵裝置泵內流動特性研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(3): 90-96.

QUAN Li, LIU Ying, WU Zehao, et al. Flow Characteristics in Plane S-type Axial Extended Tubular Pump[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(3): 90-96.

1672 - 3317（2023）03 - 0090 - 07

TK26

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022208

2022-04-14

江蘇省自然科學基金項目（BK20190647）

全莉（1992-），女。工程師，學士，主要從事流體機械內部流動分析研究。E-mail: 370868925@qq.com

劉穎（1989-），女。工程師，學士，主要從事流體機械內部流動分析研究。E-mail: liuying@126.com

責任編輯：趙宇龍