博斯騰湖泵站立式軸流泵出水流道基本流態(tài)的探析

【摘要】立式軸流泵的出水流態(tài)是確保水泵裝置獲得最佳能量性能的必要條件。這個(gè)條件對(duì)于低揚(yáng)程泵站的效率具有十分突出的影響。出水流道內(nèi)的流態(tài)是其最基本的屬性，流道的水力性能完全決定于流道內(nèi)的流態(tài)。因此在選擇低揚(yáng)程立式軸流泵出水流道的形式時(shí)，需要對(duì)不同形式出水流道的基本流態(tài)進(jìn)行分析。本文概述了立式軸流泵出水流道的基本流態(tài)及水力設(shè)計(jì)，對(duì)立式軸流泵的出水流道三維流動(dòng)數(shù)值模擬及其結(jié)果進(jìn)行了探討分析。

【關(guān)鍵詞】立式軸流泵；出水流道；水力設(shè)計(jì)；三維流動(dòng)數(shù)值模擬

一、立式軸流泵出水流道的基本流態(tài)及水力設(shè)計(jì)的概述

立式軸流泵的出水流道作用是使水流有序地轉(zhuǎn)向和平緩地?cái)U(kuò)散，在流道內(nèi)盡可能不產(chǎn)生脫流及旋渦、流道水力損失盡可能小的條件下盡可能多地回收水流的動(dòng)能。與大型立式軸流泵配套使用的一般有虹吸式和直管式出水流道。第一、虹吸式出水流道是一種彎曲形的流道，由上升段、駝峰段、下降段及出口段組成，由于它可以安全地越過(guò)提防，而且流道可以直接擋洪、斷流方式簡(jiǎn)單可靠，因此在大型立式軸流泵站中得到了廣泛的應(yīng)用。第二、直管式出水流道形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，施工方便，在大型立式軸流泵站中也得到了應(yīng)用。對(duì)于中高揚(yáng)程泵站，直管式出水流道的轉(zhuǎn)向角度一般不大于60°；對(duì)于低揚(yáng)程泵站，由于水泵導(dǎo)葉出口斷面的高程與上游最低水位之間的差值較小，直管式出水流道往往須作不小于90°的轉(zhuǎn)向。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50265-97）推薦：對(duì)于立式軸流泵站，當(dāng)出水池水位變化幅度不大時(shí)，宜采用虹吸式出水流道，配以真空破壞閥斷流方式；對(duì)于出水池最低運(yùn)行水位較高的泵站，可采用直管式出水流道，在出口設(shè)置拍門或快速閘門，并在門后設(shè)置通氣孔。

出水流道的水力設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求：（1）流道出口的平均流速一般不大于1.5 m/s，對(duì)于揚(yáng)程低、運(yùn)行時(shí)數(shù)多的泵站，不宜大于1.0 m/s；（2）在各種運(yùn)行工況下，出水流道內(nèi)無(wú)旋渦、渦帶等不良流態(tài)；（3）流道水力損失盡可能小；（4）流道的控制尺寸取值合理。

二、立式軸流泵的出水流道三維流動(dòng)數(shù)值模擬分析

1、計(jì)算方案。結(jié)合某泵站為例，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為H=4.6 m，設(shè)計(jì)流量為Q=25 m3/s，水泵葉輪直徑為D0=2.65 m。根據(jù)該泵站出水流道形式比選的要求，對(duì)該站進(jìn)行了虹吸式和直管式兩種不同形式出水流道三維流動(dòng)的數(shù)值模擬及優(yōu)化水力設(shè)計(jì)。兩種形式出水流道的長(zhǎng)度相等，流道出口斷面的高度和寬度相等、頂高程根據(jù)最低出口水位確定；兩種形式出水流道在高度方向的控制尺寸則根據(jù)各自幾何體型的特點(diǎn)和要求在該泵站許可的范圍內(nèi)取值：虹吸式出水流道駝峰斷面的底高程決定于上游最高水位；直管式出水流道適當(dāng)向上彎曲，以加大轉(zhuǎn)彎半徑、減少脫流，向上彎曲的程度決定于水泵頂蓋的安裝高程。

2、三維流動(dòng)數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的理論及技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)了許多用于求解三維雷諾平均N—S方程和多種k—ε紊流模型方程組的專用軟件。這些軟件已被大量地用于模擬水輪機(jī)尾水管、蝸殼、葉輪內(nèi)和整個(gè)裝置內(nèi)的流動(dòng)，進(jìn)行水力機(jī)械的性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用了目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的FLUENT軟件。（1）控制方程。出水流道內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程已有很多文獻(xiàn)作了介紹，本文不再贅述。（2）邊界條件。第一、進(jìn)口邊界。計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口設(shè)置在水泵后導(dǎo)葉出口斷面，在該斷面認(rèn)為來(lái)流速度在整個(gè)斷面上均勻分布，計(jì)算流量可作為已知條件，故而進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口邊界條件。由于一般導(dǎo)葉出口的水流都不同程度地具有剩余環(huán)量，故在這里預(yù)置了一定的環(huán)量。第二、出口邊界。為了準(zhǔn)確地應(yīng)用出口邊界條件，將計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在距流道出口有足夠遠(yuǎn)的出水池內(nèi)，這里的流動(dòng)是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。第三、固壁邊界。出水流道邊壁及出水池池底為固壁，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理中對(duì)所有固壁處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了無(wú)滑移條件，而對(duì)緊靠固壁處節(jié)點(diǎn)的紊流特性，則應(yīng)用了所謂對(duì)數(shù)式固壁函數(shù)處理，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)。第四、自由表面。出水池的表面為自由水面，若忽略水面風(fēng)引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，則自由面對(duì)速度和紊動(dòng)能均可視為對(duì)稱平面處理。

三、出水流道三維流動(dòng)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的結(jié)果分析

1、出水流道三維流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果。（1）虹吸式出水流道的三維流場(chǎng)。對(duì)虹吸式出水流道進(jìn)行了三維流場(chǎng)數(shù)值模擬：流道進(jìn)口的水流具有一定環(huán)量，水流呈螺旋狀流入流道；虹吸式出水流道上升段各斷面的高度雖逐步減小，但隨著流道寬度的逐步擴(kuò)大，上升段內(nèi)的流速還是逐步減小，由于轉(zhuǎn)向角度和擴(kuò)散較為平緩，該段流道內(nèi)無(wú)脫流現(xiàn)象；受水流慣性和環(huán)量的雙重影響，流道下降段內(nèi)左右兩側(cè)的流場(chǎng)不對(duì)稱，順?biāo)鞣较蚩矗髁髌蛄鞯老陆刀蔚淖髠?cè)上部，而在流道右側(cè)下部區(qū)域出現(xiàn)立面方向的局部旋渦，旋渦的范圍較小、強(qiáng)度較弱。

（2）直管式出水流道的三維流場(chǎng)。對(duì)直管式出水流道進(jìn)行了三維流場(chǎng)數(shù)值模擬：流道進(jìn)口的水流具有環(huán)量，水流呈螺旋狀流入流道；由于流道作90°轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑較小，受水流慣性和環(huán)量的雙重影響，在流道作90°轉(zhuǎn)向之后，流道下降段內(nèi)左右兩側(cè)的流場(chǎng)明顯不對(duì)稱，順?biāo)鞣较蚩矗髁髌蛄鞯老陆刀蔚淖髠?cè)上部，而在流道右側(cè)下部區(qū)域出現(xiàn)了較大范圍的旋渦。

2、出水流道模型試驗(yàn)的結(jié)果。分別對(duì)虹吸式和直管式出水流道進(jìn)行了透明流道模型試驗(yàn)研究。在模型試驗(yàn)中觀察到的兩種形式出水流道內(nèi)基本流態(tài)與數(shù)值模擬的結(jié)果完全一致。

結(jié)束語(yǔ)

立式軸流泵出水流道中的虹吸式出水流道與直管式出水流道相比，可以更好地適應(yīng)低揚(yáng)程泵站上、下游水位差較小的特點(diǎn)，可以獲得更好的流態(tài)和更小的水力損失，對(duì)于年運(yùn)行時(shí)數(shù)較多的低揚(yáng)程大型泵站，在泵站上游水位的變幅允許的條件下，應(yīng)優(yōu)先選用水力性能較好的虹吸式出水流道。

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