蔡一平,李進東,袁 堯,李大亮,韓 逸,石麗建

(1.江蘇省水利科學研究院,南京 210000;2. 南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,南京 210000;3.揚州大學 水利科學與工程學院,江蘇 揚州 225009)

1 概 述

箱涵式泵裝置是一種可以兼顧調(diào)水和排澇、實現(xiàn)雙向抽水功能的泵裝置型式,在我國平原地區(qū)低揚程泵站工程中使用較多[1-3]。 王欣宇[4]等研究了不同導葉參數(shù)對箱涵式軸流泵裝置水力性能的影響,結(jié)果表明導葉相對位置對泵裝置的效率和導葉體的水力損失影響較大。 彭兵[5]等采用CFD 方法,針對南京永宏泵站雙向箱涵式出水流道進行了優(yōu)化設(shè)計,結(jié)果表明提高喇叭管的高度有助于導葉出口水流的擴散,降低出水口的流速,減小水力損失,進而提高泵裝置的效率。金海銀等[6]以江蘇省江邊樞紐泵站的箱涵式雙向立式軸流泵裝置為研究對象,采用物理模型試驗方法,對箱涵式雙向立式軸流泵裝置模型開展了能量性能、汽蝕性能及飛逸性能試驗,并采用數(shù)值模擬技術(shù),分析了泵裝置內(nèi)部流動特征。 單陸丹等[7]根據(jù)泵裝置選型原則,結(jié)合泵站大流量、低揚程的特點,從效率、運行管理、設(shè)備制造及安裝等方面進行了方案比選,優(yōu)選出軸流泵配箱涵式雙層進出水流道的泵裝置結(jié)構(gòu)方案。 王朝飛等[8]基于RNGk-ε紊流模型和雷諾時均NS 方程,運用CFD 商用大型軟件,對箱涵式進出水流道立式軸流泵裝置進行了三維流動仿真計算及水力特性的優(yōu)化設(shè)計。

目前,針對箱涵式泵裝置的相關(guān)研究交過多[9-11],但有關(guān)箱涵式出水流道設(shè)計參數(shù)對泵裝置性能的影響研究較少。 而箱涵式流道設(shè)計尺寸不但影響泵裝置的水力性能,還影響整個泵站的工程投資。 因此,針對箱涵式出水流道設(shè)計參數(shù)對泵裝置水力性能的影響研究具有重要的理論意義,本文的研究成果可為箱涵式泵站出水流道的設(shè)計提供參考。

2 三維建模及數(shù)值計算方法

2.1 計算模型

泵裝置內(nèi)部三維流場數(shù)值模擬對象包括進水流道、葉輪、導葉、出水流道的箱涵式立式軸流泵裝置。 泵裝置設(shè)計流量Q=33.4m3/s,葉輪轉(zhuǎn)速n=100r/min,葉輪直徑D=3.45m,葉輪葉片數(shù)3 片。 泵裝置采用箱涵式雙層流道泵裝置,該泵裝置可同時實現(xiàn)引水和排澇兩種運行狀態(tài)。 箱涵式泵裝置整體部分包括進水流道、軸流泵葉輪、導葉體和出水流道共4 個部分,見圖1。

圖1 箱涵式軸流泵裝置計算模型

采用CFD 商用大型軟件,基于標準k-ε紊流模型,計算區(qū)域網(wǎng)格剖分數(shù)量滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。 采用UG 與ANSYS ICEM CFD 軟件,對進水流道和出水流道進行實體建模與網(wǎng)格剖分。 采用ANSYS TurboGrid 軟件,對葉輪和導葉體進行實體建模與網(wǎng)格剖分,原型泵建模時考慮了葉頂間隙的影響,葉頂間隙設(shè)置為1.725mm。

2.2 控制方程與紊流模型

泵葉輪內(nèi)部流動是三維非定常紊流流動,但在水泵穩(wěn)定運行(轉(zhuǎn)速恒定)后,可認為葉輪相對運行是定常流動。 控制方程的離散采用基于有限元的有限體積法,擴散項和壓力梯度采用有限元函數(shù)表示,對流項采用高分辨率格式(High Resolution Scheme)。 流場的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法,將動量方程和連續(xù)性方程耦合求解,克服了傳統(tǒng)SIMPLE 系列算法需要“假設(shè)壓力項-求解-修正壓力項”的反復迭代過程,同時引入代數(shù)多重網(wǎng)格技術(shù),提高了求解的穩(wěn)定性和計算速度。

泵裝置內(nèi)部流動介質(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。 紊流模型采用標準k-ε紊流模型,該模型修正湍流黏度考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動情況,能更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流動。

2.3 計算參數(shù)與邊界條件

直接對原型泵裝置進行分析,泵裝置數(shù)值計算區(qū)域包括進水流道、葉輪、導葉體及出水流道。

1)進口邊界條件。 整個泵裝置作為數(shù)值模擬的計算域,將進水流道的進口作為整個泵裝置的進口,進口邊界條件采用總壓進口條件,總壓設(shè)置為一個標準大氣壓。

2)出口邊界條件。 將出水流道的出口作為整個泵裝置計算流場的出口,出口邊界條件采用質(zhì)量流量出口。

3)壁面條件。 紊流模型不適用于壁面邊界層內(nèi)的流動,所以需對壁面進行處理,才能保證模擬的精度。 泵裝置的進出水流道、葉輪的外殼及導葉體均設(shè)置為靜止壁面,應(yīng)用無滑移條件,近壁區(qū)采用可伸縮壁面函數(shù)。

4)交界面設(shè)置。 交界面類型設(shè)置,對于葉輪與導葉、進水流道與葉輪的動靜交界面采用速度平均的stage 模型,其他交界面類型采用None模型。

3 出水流道尺寸設(shè)計及結(jié)果計算

進行箱涵式流道設(shè)計時,主要考慮流道的高度、寬度和長度尺寸要求。 采用DOE 方法進行試驗選優(yōu),針對進出水流道,采用三因素五水平方法,見表1。

軸流泵葉輪的直徑為3.45m,轉(zhuǎn)速為100r/min,改變進出水流道尺寸時,進水流道喇叭管懸空高保持不變,出水流道喇叭距離流道頂部高程保持不變。 通過CFD 數(shù)值模擬計算,得到各種組合方案在設(shè)計流量工況下的箱涵式流道泵裝置計算效率,見表2。

表2 正交試驗表——實驗設(shè)計和實驗結(jié)果分析

根據(jù)表2 正交試驗設(shè)計方案可知,經(jīng)過CFD計算之后,不同流道尺寸參數(shù)得到的效率差別較大。 其中,方案20 的泵裝置效率最低,僅有68.62%;而方案11 效率最高,達到73.64%;最高效率與最低效率差別達到5.02%。 由此可見,箱涵式進出水流道的長度、寬度和高度對效率的影響較大,需綜合考慮這3 個參數(shù)的設(shè)計。 根據(jù)正交試驗分析可知,流道高度對效率的影響最大,流道寬度對效率的影響次之,而流道長度對效率的影響最小。 在箱涵式流道泵裝置的尺寸參數(shù)設(shè)計時,應(yīng)著重考慮流道寬度和流道高度。

將正交試驗結(jié)果各設(shè)計因素用趨勢線表示,見圖2。

圖2 計算效率與設(shè)計參數(shù)之間的趨勢曲線

從圖2 可以看出,就單一影響因素而言,流道高度對裝置效率的影響最大,可以影響裝置效率2%左右;流道寬度對裝置效率影響也接近2%。 總體上,流道越寬,效率越高;流道越高,效率越高。 對應(yīng)的優(yōu)組合為寬度取2.855D,長度取11.45D,高度取1. 35D(對應(yīng)方案11)。 也就是說,單從泵裝置效率的角度而言,在箱涵式流道設(shè)計時,流道寬度越寬、流道高度越高,所得到的箱涵式泵裝置效率越高。 但實際工程中,流道寬度越寬,整個泵站的平面尺寸增大;流道越高,泵站的開挖深度越深,進而導致泵站造價升高。 因此,實際泵站工程中箱涵式流道尺寸需要綜合考慮流道尺寸和工程造價。 取優(yōu)組合方案(方案11)和方案20 進行流道壁面壓力云圖進行對比,見圖3。

圖3 出水流道壁面壓力分布云圖

根據(jù)圖3 可知,兩個方案的出水型式基本都是四周出水,并沒有單側(cè)出水的不良情況。 但在流道出水方向,方案11 流道上的壓力相較于方案20 要高一些。 這是由于方案11 的流道寬度和高度均大于方案20,導葉出來的水流在方案11的喇叭管中擴散更充分,回收的水流速度環(huán)量更多,使方案11 在流道出口方向上壓力偏高,流速相對小一些,這也是方案11 的流道水力損失較小、泵裝置效率較高的原因。

4 結(jié) 論

本文采用DOE 試驗設(shè)計和CFD 數(shù)值計算方法,得到了25 種不同尺寸的出水流道箱涵式泵裝置設(shè)計方案和CFD 模擬結(jié)果。 其中,方案11箱涵式泵裝置效率最高,達到73.64%,最高效率與最低效率差別達到5.02%。 根據(jù)正交試驗分析可知,箱涵式泵裝置出水流道高度對效率的影響最大,寬度對效率的影響次之,而流道長度對效率的影響最小。 結(jié)果表明,流道寬度越寬、流道高度越高,導葉出來的水流擴散更充分,同時可以回收更多速度環(huán)量,進而提高了泵裝置的運行效率。