茭陵一站改造進水流道可行性的CFD研究

郭 瑞成 立王 麗李言亮

（1.江蘇省淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005 2.揚州大學水利科學與工程學院 揚州 225009）

茭陵一站改造進水流道可行性的CFD研究

郭 瑞1成 立2王 麗1李言亮1

（1.江蘇省淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005 2.揚州大學水利科學與工程學院 揚州 225009）

茭陵一站改造方案保持原進水流道不變，為了保證在新的泵站流量下機組水力穩定性，對進水流道內部流動進行了數值計算。基于定常不可壓流體的控制方程和重整化群湍流模型，應用SIMPLEC算法，采用雷諾時均法（RANS）將紊流各種特征變量分解成時均值和脈動值建立時均雷諾方程，再引入紊流粘性系數，建立紊流模型，獲得了不同工況下的進水流道內流速場和壓力場。研究表明，在各工況下進水流道內流動均為收縮型流動，流道內未見漩渦和回流區；進水流道彎道處未見回流和有害漩渦產生，現有進水流道能夠滿足泵站安全運行要求。

進水流道 泵站 流態 數值模擬

茭陵一站更新改造工程泵裝置改造方案為保持原有的土建工程不變，更換水泵機組、電氣設備及所有的輔機設備。泵站興建于20世紀70年代末，由于當時技術水平與施工水平有限，原有的肘形進水流道是否能夠為新的水泵機組提供優良的水力條件，保證機組安全、可靠、高效的運行是改造工程成功與否的關鍵性問題。近年來，隨著計算流體動力學和數值方法的發展，應用CFD（computational fluid dynamics）技術分析泵及泵裝置內水流運動已成為趨勢。本文基于Fluent商用CFD軟件對各工況下原有進水流道流態進行計算分析，根據計算結果判別原有流道的可用性和泵裝置改造方案的可行性。

1 工程背景

茭陵一站進水流道為肘形進水流道，流道主要幾何參數為：進口凈寬B=4.5m，流道總長L=11.64 m，出口直徑D=1.68m，其余各部高程詳見圖1。圖中A-A為進水流道出口斷面，B-B為葉輪中心斷面。C-C斷面和D-D斷面分別距葉輪中心線1.551D和1.028D。表1為茭陵一站汛期排澇水位、流量資料。

2 水力評判指標

進水流道為葉輪提供均勻的進水條件，其出口斷面的流速均勻性將影響水泵性能的發揮。擬采用斷面流速分布均勻度Vzu作為葉輪進口斷面的水力評判指標。

表1 茭陵一站汛期排澇水位、流量資料

圖1 進水流道圖

uzi—計算單元軸向流速分量；—計算單元面積矢量；

ρ—水體密度；

n—計算斷面單元個數；

mi—計算單元質量，其值為。

3 數值計算方法及邊界條件

泵站進水流道內部流動為非定常粘性流動，其流動規律可用Navier-Stokes方程來描述。采用雷諾時均法（RANS）將紊流各種特征變量分解成時均值和脈動值建立時均雷諾方程，再引入紊流粘性系數，建立紊流模型。由于進水流道內流動為強曲率流動，故采用重整化群紊流模型要由于標準k-ε紊流模型。

邊界條件設定：進口邊界設置在前池處，假設水流已是充分發展的紊流，比較均勻。進口流速場給定，在水深方向設為對數式分布。出口邊界取在進水流道出口外3倍流道出口直徑延伸處，按照outflow條件給出，為模擬葉輪室前導水錐，在進水流道出口處設置了導水錐。在固體邊壁處規定無滑移條件（即u=v=w=0），在近壁區采用上述的壁面函數法。水面設置為對稱邊界條件。

圖2 進水流道計算流態

圖3 各斷面的流速分布圖

4 計算結果

4.1 進水流道內流態分析

圖2為計算得到的設計揚程下進水流道流態圖。由圖2（a）可見，進水流態穩定，水流在流道內為收縮型流動，未見漩渦和回流區。由圖2（b）、（c）可知，進水流道彎道實現流速的轉向和加速過程，未見脫流區，在肘形流道出口內側的流速明顯偏高，出現低壓區。渦量云圖（圖2（d））表明水流轉彎過程中漩渦產生的可能性較小。

圖3為計算得到的設計揚程下各斷面的流速分布圖。由圖3（a）可知，進水流道的平直段流速逐步加速，較高流速出現在內側。經過流道的轉彎作用后，這種情況沒有得到改善，在流道出口斷面達到了最大值見圖3（b）。再經過一段直段的整流作用，在葉輪中心斷面流速分布得到了改善，趨于均勻分布，但仍有最大流速在外側的趨勢（圖3（c））。

4.2 各斷面流速均勻度及損失分析

表2 各工況下斷面流速均勻度

表2為各斷面處流速均勻度數值模擬計算值，計算表明流道出口斷面（A-A）均勻度較低，葉輪中心斷面流速均勻度達到了90%以上，這與流速分布規律一致。

表3為各工況下的進水流道損失，計算結果表明流道損失與流量的二次方成正比，符合管道損失規律（H=S· Q2），其中計算的S為0.002531 s2/m5。

表3 各工況下進水流道損失

5 結論

（1）通過對各種工況的CFD模擬，獲得了各工況下進水流道流速、壓力和渦量場。

（2）CFD計算表明，進水流道內不同工況流態相似，均表現為收縮型管道流動，流道內未見漩渦和回流區；進水流道口圓弧處未見回流和有害漩渦產生。

（3）該進水流道出口處流速均勻性較好，能為改造后水泵葉輪提供良好的水力條件，茭陵泵站改造泵裝置改造方案是可行的。相關成果已應用于工程改造方案論證中■