摘要：軸流泵站在平原地區(qū)灌溉排水、城市供水及防洪等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但現(xiàn)有對(duì)泵站的設(shè)計(jì)普遍基于前池進(jìn)口入流均勻的假設(shè)，未能充分考慮河道引水至前池過(guò)程中的非穩(wěn)定流動(dòng)性。文章采用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)對(duì)某軸流泵站前池進(jìn)行水力優(yōu)化研究，通過(guò)建立河道與前池的耦合模型，分析在河道與泵站前池主流方向呈垂直布局的情況下，河道對(duì)前池水力性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在此布局下，前池水力損失有所增加，但軸流泵裝置轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的軸向速度均勻度和速度加權(quán)平均角受到的影響較小；增設(shè)底坎的措施能穩(wěn)定前池流動(dòng)性，減少水力損失，同時(shí)改善軸向速度均勻度和速度加權(quán)平均角。

關(guān)鍵詞：泵站；流道；河道；水力優(yōu)化；底坎

中圖分類(lèi)號(hào)：TV136.2；TV675" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）08-0074-03

0 引言

軸流泵作為常見(jiàn)且重要的水力機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市供水系統(tǒng)、 水處理工藝及能源領(lǐng)域，具有水力效率高、體積小和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 進(jìn)、出水流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于提升軸流泵的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。進(jìn)水流道的幾何結(jié)構(gòu)能直接影響葉輪進(jìn)口流速的均勻性，而合理的出水流道設(shè)計(jì)則能確保水流平穩(wěn)地導(dǎo)向上游水道，并有效回收水流動(dòng)能。如果進(jìn)、出水流道未能達(dá)到水力設(shè)計(jì)要求，可能會(huì)引發(fā)葉輪進(jìn)口流速分布不均、出水流道內(nèi)水流紊亂和漩渦的產(chǎn)生等問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅會(huì)降低泵裝置的運(yùn)行效率，還可能引發(fā)汽蝕、噪聲和劇烈振動(dòng)［1-2］，對(duì)泵站機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。為了提升前池流態(tài)性能，研究者們提出了多種整流方案，如設(shè)立導(dǎo)流墩、底坎、立柱、壓水板和隔板等結(jié)構(gòu)［3］。營(yíng)佳瑋等［4］基于VOF模型（即流體體積分?jǐn)?shù)模型），探索立柱與底坎相結(jié)合的整流方案，該方案有效改善了前池兩側(cè)的回流狀況，驗(yàn)證了復(fù)合整流相較于單一措施更具優(yōu)越性。馮建剛等［5］采用“八”字形導(dǎo)流墩與底坎組合，改善了泵站前池流態(tài)，提升了進(jìn)水池進(jìn)流的均勻性和泵站的性能。陸偉剛等［6］利用數(shù)值模擬技術(shù)，深入分析了設(shè)置立柱、導(dǎo)流墩、底坎及隔墩等整流措施對(duì)某排澇泵站前池流態(tài)的具體影響，為排澇泵站的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。李志祥等［7］采用響應(yīng)面法優(yōu)化底坎的高度與間距，顯著提升了排水泵站前池的流態(tài)質(zhì)量。綜上，設(shè)置底坎作為常見(jiàn)的前池整流措施，不僅可以獨(dú)立應(yīng)用，改善泵站前池流態(tài)，也能與其他整流措施聯(lián)合。底坎的形式多樣，包括倒“T”形、鏤空式等［8-9］，可根據(jù)實(shí)際需求選擇和應(yīng)用。

本文以浙江省寧波市建莊排澇泵站為研究案例，采用 CFD 技術(shù)對(duì)泵站進(jìn)水流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提升水力性能。通過(guò)多方案對(duì)比與分析，篩選出最優(yōu)的流道優(yōu)化方案。鑒于建莊泵站進(jìn)水流道與河道呈垂直布局，本文還將利用 CFD 技術(shù)驗(yàn)證垂直河道對(duì)泵站水力性能的影響。本研究不僅為建莊泵站的流道優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)，也為其他面臨類(lèi)似情況的泵站提供了有價(jià)值的參考。

1 工程概況

建莊排澇泵站位于浙江省寧波市海曙區(qū)新黃隘河附近，主要承擔(dān)內(nèi)河澇水排除任務(wù)。該泵站設(shè)計(jì)流量為20 m3/s，總裝機(jī)容量達(dá)到2 130 kW。泵站采用井筒式結(jié)構(gòu)，上游配備檢修閘門(mén)，出水管道設(shè)置了 DN1800規(guī)格的電動(dòng)蝶閥，并在出口處設(shè)置了拍門(mén)，從上游至下游，泵站依次布設(shè)了灌砌石護(hù)坦、進(jìn)水前池、進(jìn)水池（含交通橋）、泵房及出水管道。排澇工程設(shè)4臺(tái)主機(jī)組、2臺(tái)事故備用機(jī)組，備用機(jī)組規(guī)模同主機(jī)組。機(jī)組選用1400QZ-100D型潛水軸流泵，配套同步電機(jī)的單機(jī)功率為355 kW，額定電壓為10 kV。建莊泵站進(jìn)水流道剖面圖見(jiàn)圖1。

2 建立數(shù)值模型

2.1 控制方程及湍流模型

在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，詳盡地考量了泵站前池和進(jìn)水池的水流特性，將其設(shè)定為三維、不可壓縮且無(wú)能量交換的黏性湍流模型。經(jīng)過(guò)深入研究和論證，本次模擬選定連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程作為核心控制方程，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。離散方法采用有限體積法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠準(zhǔn)確捕捉水流的細(xì)節(jié)變化，同時(shí)保證計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。針對(duì)湍流問(wèn)題，采用雷諾平均法進(jìn)行處理，通過(guò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，可以準(zhǔn)確地模擬水流中的湍流現(xiàn)象，從而進(jìn)一步提升模擬結(jié)果的精度和可靠性。為確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)定計(jì)算精度閾值為10-5。

2.2 計(jì)算域模型

本文計(jì)算域主要包括河道、進(jìn)水前池及進(jìn)水流道。利用UG三維建模軟件進(jìn)行建模見(jiàn)圖2。

2.3 網(wǎng)格劃分

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是一種特殊的網(wǎng)格類(lèi)型，具有極高的靈活性，生成速度快且網(wǎng)格自適應(yīng)程度高，可為模擬提供更高的精度和準(zhǔn)確性。由于本文研究對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可能難以準(zhǔn)確描述其細(xì)節(jié)特征，因此選用了四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行模型劃分。此外，針對(duì)進(jìn)水前池部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格劃分采用ICEM軟件完成，最終生成的網(wǎng)格數(shù)量約為300萬(wàn)個(gè)。

2.4 邊界條件

本文計(jì)算域部分包括固體邊壁、進(jìn)水池進(jìn)口斷面及出水池出口斷面，各邊界條件設(shè)定如下。

（1）進(jìn)口邊界條件。以河道進(jìn)口斷面為模擬起點(diǎn)，采用質(zhì)量進(jìn)口邊界條件設(shè)定進(jìn)口處的質(zhì)量流量，以準(zhǔn)確反映真實(shí)環(huán)境中的流體流動(dòng)狀況。

（2）出口邊界條件。泵段出口斷面處采用壓力出口邊界條件，模擬流體在出口處的壓力動(dòng)態(tài)變化。

（3）壁面條件。將泵裝置涉及的河道和進(jìn)水流道視為靜止壁面進(jìn)行處理，采用無(wú)滑移條件模擬流體在這些壁面上的流動(dòng)情況。此外，在近壁區(qū)域，利用壁面函數(shù)描述流體與壁面之間的相互作用，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在流道優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，為得到良好的水力性能，需根據(jù)CFD數(shù)值模擬結(jié)果，不斷調(diào)整流道的基本參數(shù)，以優(yōu)化流道的型線。本文采用增設(shè)底坎的方式進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)底坎不同的設(shè)置位置，設(shè)定了方案a和方案b兩種優(yōu)化路徑。底坎的具體尺寸為高1 000 mm，寬300 mm。優(yōu)化方案示意圖見(jiàn)圖3。

3 泵站前池優(yōu)化分析

3.1 原方案模擬分析

圖4為原方案進(jìn)水流道流速與流線圖，在無(wú)河道影響的情況下，水流順利進(jìn)入前池后，流速穩(wěn)定均勻，直至進(jìn)入水流道時(shí)流速突然變大。觀察流線圖發(fā)現(xiàn)，泵站進(jìn)水平滑，流線均勻穩(wěn)定，未出現(xiàn)漩渦和回流等不良流態(tài)；有河道影響后，流入前池的水流流速整體均勻穩(wěn)定且高速區(qū)域有所減緩；入口處雖然有小漩渦形成，但是很快消散，未對(duì)后續(xù)流動(dòng)造成干擾，流線整體比較均勻。

為定量檢驗(yàn)進(jìn)水流道優(yōu)化方案的效果，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用計(jì)算單元面積加權(quán)的方法計(jì)算進(jìn)水流道出口的軸向流速分布均勻度（Vzu）與加權(quán)平均角（θ）。結(jié)果表明，Vzu數(shù)值越大，斷面軸向流速分布越均勻，而θ越接近90°，出口水流越接近垂直于出口斷面，出水條件及流道優(yōu)化效果更顯著。表1為原方案優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，考慮河道影響后，水力損失明顯增大，但速度加權(quán)平均角和軸向速度均勻度均有所提升，證實(shí)垂直河道布局對(duì)泵站泵裝置入流造成了明顯的不利影響。

3.2 增設(shè)底坎模擬分析

底坎的設(shè)置能有效減少水流在進(jìn)水流道入口產(chǎn)生的漩渦，有利于水流更順暢地進(jìn)入泵段。圖5為底坎方案進(jìn)水流道流速與流線圖。如圖5所示，方案a中水流越過(guò)底坎后，速度雖短暫提升，但流線圖中僅在入口處見(jiàn)到微小漩渦，推測(cè)為河道與流道之間壓差所致，該漩渦迅速消散，未對(duì)后續(xù)流態(tài)造成影響，整體流線保持平滑；相較于方案a，方案b的流速圖中流線更集中，流態(tài)更穩(wěn)定，并且未出現(xiàn)明顯的高速區(qū)。這可能與底坎設(shè)置于坡道處有關(guān)，使得流速整體更為均勻、穩(wěn)定。

表2為底坎方案優(yōu)化結(jié)果，表2中的數(shù)據(jù)顯示，方案a的水力損失小于方案b，并且小于原方案。設(shè)置底坎后，無(wú)論是方案a還是方案b，其速度加權(quán)平均角和軸向速度均勻度均大于原方案，表明流態(tài)改善顯著?？傊?，方案a和方案b結(jié)果相差不大，但方案a略優(yōu)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)軸流泵站前池的水力優(yōu)化問(wèn)題開(kāi)展研究，通過(guò)構(gòu)建河道耦合泵站前池的三維幾何模型，系統(tǒng)地分析了河道垂直布置于泵站前池以及在前池內(nèi)增設(shè)底坎對(duì)前池水力性能的影響。研究得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)河道垂直接入泵站前池時(shí)，雖然前池因河道入流而承受的水力損失會(huì)有所增加，但是該變化對(duì)軸流泵裝置轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的軸向速度均勻度和速度加權(quán)平均角的負(fù)面影響較小。

（2）通過(guò)在前池內(nèi)增設(shè)底坎，不僅優(yōu)化了泵站內(nèi)的流速均勻性與流態(tài)穩(wěn)定性，還顯著降低了水力損失，對(duì)提升泵站整體運(yùn)行效率具有積極作用。

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