王 翌

(新疆水利電力建設(shè)總公司，新疆 烏魯木齊 830091)

1 研究方法

圖1所示為某泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)的平面布局，圖(a)和圖(b)分別為該泵站的俯視圖和A-A截面的視圖；選用了UG的3D構(gòu)造設(shè)計軟件，并以1∶10的比例建立泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)計算模型。

圖1 泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)的平面布局(單位：mm)

根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒定律，當(dāng)流動介質(zhì)為清水時，可不考慮溫度變化，則連續(xù)性方程與質(zhì)量守恒定律關(guān)系如式(1)所示[1-2]。

(1)

(2)

式中：ui為不同方向上的平均速度，m/s；xi為流體中某一點(diǎn)x方向上的動量分量，kg·m/s；μ為絕對黏度，Pa·s；τij為應(yīng)力張量，Pa。湍流數(shù)值模擬使用Reynolds時均數(shù)模擬方法進(jìn)行[3]。它可以有效克服計算量大的難題。

而湍流模型中，Realizable 模型由于能夠完美地結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)模型的特點(diǎn)，即能夠計算近壁面處的黏性流動，又能準(zhǔn)確地計算主流區(qū)附近的湍流，能夠良好的捕捉到近壁面位置的渦結(jié)構(gòu)，節(jié)省計算時間。因此，此次研究采用Realizable k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Fluent軟件對其進(jìn)行計算。利用二階迎風(fēng)進(jìn)行離散，SIMPLEC算法求解，從而獲得更高的計算效率。

2 泵站側(cè)向進(jìn)水前池多結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在循環(huán)水泵機(jī)組中，由于側(cè)向進(jìn)水對水泵的抽水特性影響較大。故需優(yōu)化側(cè)向進(jìn)水前池的結(jié)構(gòu)，以改善水泵的抽水效率。通過試驗研究，確定不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下進(jìn)水流道內(nèi)水流特性變化規(guī)律。由于響應(yīng)面試驗優(yōu)化方法的測試時間更短，測試數(shù)量也更少，故可以在保證準(zhǔn)確度的情況下，采用響應(yīng)面法降低各因素的取值幅度，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與討論。以此優(yōu)化各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合[4-5]。

考慮到擴(kuò)散角α、坡度β、轉(zhuǎn)向角γ對進(jìn)水結(jié)構(gòu)的水力性能影響較大，利用該三個參數(shù)作為優(yōu)化側(cè)向進(jìn)水前池的參數(shù)，并將該三個結(jié)構(gòu)參數(shù)當(dāng)作響應(yīng)面試驗方法的自變量。同時，對該三個參數(shù)作三因素三水平試驗，使用數(shù)值模擬的方法，對各個方案的側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)的流場進(jìn)行模擬，以得到試驗結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上，將所選擇的影響因子與試驗結(jié)果值進(jìn)行比較，并將其與響應(yīng)面優(yōu)化模型進(jìn)行比較，利用方差分析法，建立精確的試驗數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)間的回歸方程，從而實現(xiàn)回歸模型的顯著性判定[6]。在滿足顯著性指標(biāo)的前提下，分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互作用，探討結(jié)構(gòu)參數(shù)與優(yōu)化設(shè)計指標(biāo)之間的關(guān)系，得到能夠提高出口斷面流速分布均勻度的側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果不能達(dá)到預(yù)期的效果，就會根據(jù)響應(yīng)面方法的測試結(jié)果，反復(fù)進(jìn)行以上的測試，直到達(dá)到預(yù)期的效果。

3 泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)模型試驗

按1∶10比例將優(yōu)化后的模型開展不同條件下的泵站側(cè)向進(jìn)水流場試驗，并將其與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，對理論和試驗結(jié)果的正確性展開驗證?；谏鲜鼋Y(jié)論，本項目擬對不同工況下的泵站側(cè)向進(jìn)水流道進(jìn)行相關(guān)試驗。主要對優(yōu)化后的泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)部水流特性，尤其是側(cè)向進(jìn)水池和進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)等進(jìn)行數(shù)值仿真。

該試驗?zāi)Ｐ陀梢?、?cè)向進(jìn)水前池、進(jìn)水流道和進(jìn)水喇叭管等組成，且試驗裝置選用一臺循環(huán)水泵作為電源。采用變頻器控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對系統(tǒng)中的流量進(jìn)行調(diào)整，并對不同管道的閘閥進(jìn)行切換，實現(xiàn)了對水泵運(yùn)行機(jī)組的順序的控制，并保證了同一時間水泵均有相同的流量[7]。水流是使用循環(huán)水泵，通過輸水管道輸送至蓄水箱，之后再進(jìn)入引水段。為了保證第二次進(jìn)入引水段的流型穩(wěn)定，引水段必須適當(dāng)加長[8]。進(jìn)水流道側(cè)壁裝有一塊有機(jī)玻璃，可觀察進(jìn)水喇叭口的水流狀態(tài)，也可便于轉(zhuǎn)動度儀測量。在泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)的測速剖面中，應(yīng)用流速傳感器進(jìn)行流量測定，其誤差值不能超過1%。使用絲線法，對側(cè)向進(jìn)水前池內(nèi)的流態(tài)展開測量，絲線在側(cè)向進(jìn)水前池內(nèi)擺動的水平投影方向應(yīng)該不超過10°。

4 泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 原始模型數(shù)值計算結(jié)果

此次工程項目共有660 MW機(jī)組2臺，每臺機(jī)組配備3臺立式固定葉混流循環(huán)水泵，3×50%的比例。循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式為單元式，全負(fù)荷運(yùn)行時，在考核的天氣情況下，1機(jī)2泵同時運(yùn)行，而1機(jī)1泵運(yùn)行的情況，一般是在夏季低負(fù)荷或冬季中負(fù)荷的條件下。在“1機(jī)1 泵”和“1機(jī)2泵”兩個工作狀態(tài)下，采用了不同的設(shè)計方案，提出了12個不同的水位條件下的計算方法。在設(shè)計操作水位的原始模型中，對各種機(jī)組運(yùn)行方案進(jìn)行了計算，結(jié)果如表1所示。

表1 設(shè)計運(yùn)行水位不同機(jī)組運(yùn)行方案C1和C2斷面流速分布均勻度 %

由表1可以看出，在設(shè)計運(yùn)行水位條件下，C2斷面上兩臺水泵在不同工況下的流速分布均勻度較低，說明兩臺同時運(yùn)行時，每個機(jī)組進(jìn)入進(jìn)水流道前，兩臺水泵間存在主流之間的干擾，使得兩臺水泵前池的流態(tài)比單臺水泵較差。并且在不同的運(yùn)行水位狀態(tài)下，每個方案的特征斷面流速均表現(xiàn)出較低的分布均勻度，且每一段的流速也不均勻。在A2工況中，1*泵的進(jìn)水流道流速分布均勻度只有49.00%，3*泵為47.75%，這不能滿足進(jìn)水流道的速度要求，也不能保證進(jìn)水流道的流動一致，并可能出現(xiàn)倒灌和漩渦等現(xiàn)象。

設(shè)計運(yùn)行水位下每個水泵機(jī)組在流道出口斷面處的速度分布一致，整體上表現(xiàn)為中部流速大，周圍速度小。但在機(jī)組運(yùn)行方案下，中間高流速區(qū)域與中心位置均發(fā)生了偏離，使得循環(huán)水泵的進(jìn)水條件有所下降。

由表2可以看出，在每個機(jī)組的運(yùn)行計劃下，每個進(jìn)水流道出口段的平均加權(quán)偏流角是65.73°，基本上達(dá)到了水力設(shè)計的要求。

表2 設(shè)計運(yùn)行水位不同方案流道出口斷面流速加權(quán)偏流角 (°)

4.2 優(yōu)化后側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)數(shù)值計算結(jié)果

為了優(yōu)化側(cè)向進(jìn)水前池的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用響應(yīng)面法，進(jìn)而得到以最佳流速分布均勻度為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型的有關(guān)參數(shù)。通過對試驗結(jié)果的分析，確定了優(yōu)化后最佳的坡度、轉(zhuǎn)向角和擴(kuò)散角分別為8°、75°和11°。經(jīng)改進(jìn)后，側(cè)向進(jìn)水前池與進(jìn)水流道在各種工況下的流動狀態(tài)均優(yōu)于原有模型，且無顯著的偏流與大面積的回流漩渦；同時，在喇叭管附近，也并沒有產(chǎn)生高強(qiáng)度的漩渦結(jié)構(gòu)，在設(shè)計運(yùn)行水位優(yōu)化模型中，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，對不同的機(jī)組操作方案進(jìn)行了計算，并對流速特征斷面C1和C2流速分布均勻度進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)計水位不同方案流速特征斷面C1和C2流速分布均勻度 %

通過表3可以看出，在特征斷面C2上，流速分布均勻度較原設(shè)計有較大改善，改善幅度約為19.15%。計算結(jié)果顯示，和原模型相比，優(yōu)化后的模型能對側(cè)向進(jìn)水前池內(nèi)已有的非理想流態(tài)進(jìn)行調(diào)整與改善，從而提高了每一斷面的流速分布均勻度。

不同機(jī)組在流道出口斷面的速度分布比較一致，整體上表現(xiàn)出中部速度大，周圍速度小的特點(diǎn)。對優(yōu)化后模型的進(jìn)水流道出口斷面加權(quán)偏流角平均值進(jìn)行計算，結(jié)果如表4所示。

表4 設(shè)計運(yùn)行水位優(yōu)化模型不同泵組合流道出口斷面流速加權(quán)偏流角 (°)

由表4可以看出，在不同的運(yùn)行方案操作模式下，所有機(jī)組在進(jìn)水流道出口處的平均斷面加權(quán)偏流角是78.44°，比原來的模型增加12.93°。

4.3 泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)模型試驗分析

在A1工況下，對優(yōu)化模型的測速斷面C1處的每一個測點(diǎn)進(jìn)行流速測試，計算出流場的流速分布均勻度，并將其和數(shù)值計算進(jìn)行比較，檢驗數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性。對A1工況下優(yōu)化模型特征斷面C1處的流速分布情況進(jìn)行分析，其中，A1工況1*泵的測速斷面C1縱向測點(diǎn)流速如圖2所示。

圖2 A1工況1*泵的測速斷面C1縱向測點(diǎn)流速

圖2中，數(shù)值計算結(jié)果流速的橫向變化趨勢與模型試驗結(jié)果相吻合。在1*泵C1斷面上，多數(shù)測點(diǎn)負(fù)橫向流速比正向流速大，主要原因是在進(jìn)水流道入口附近，在轉(zhuǎn)向段的影響下出現(xiàn)了偏流。同理，A1工況2*泵的測速斷面C1縱向測點(diǎn)流速如圖3所示，圖3中，數(shù)值計算結(jié)果流速的橫向變化趨勢與模型試驗結(jié)果同樣相吻合。在特征斷面2*泵C1段，多數(shù)情況下，縱向側(cè)面負(fù)橫向流速與正向流速接近；當(dāng)處于進(jìn)水流道段時，水流的流向基本上與入口段相一致，沒有出現(xiàn)顯著的偏流。對數(shù)值計算和模型試驗的斷面C1的流動速度分布均勻度進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

表5 A1工況下特征斷面 C1 流速分布均勻度 %

圖3 A1工況2*泵的測速斷面C1縱向測點(diǎn)流速

通過表5可以看出，模型試驗和數(shù)值計算對1*泵和2*泵的結(jié)果比較接近，且1*泵和2*泵的相對誤差值都在5%之內(nèi)，分別為4.39%、4.82%。

5 結(jié) 論

為了使水流能夠在泵站的進(jìn)水前池中均勻地分布，并無大范圍的回流、漩渦等現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬、模型試驗等手段，對泵站側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)中的水流形態(tài)及水力特征進(jìn)行深入的分析，用響應(yīng)面對原有的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。并通過試驗進(jìn)行驗證。表明研究成果對類似側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)的泵站水力設(shè)計和水力特性的優(yōu)化有一定的借鑒意義。但由于影響側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)流動狀態(tài)的因素眾多，后續(xù)將對側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)水流狀態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究。