博斯騰湖泵站立式軸流泵出水流道基本流態的探析

【摘要】立式軸流泵的出水流態是確保水泵裝置獲得最佳能量性能的必要條件。這個條件對于低揚程泵站的效率具有十分突出的影響。出水流道內的流態是其最基本的屬性，流道的水力性能完全決定于流道內的流態。因此在選擇低揚程立式軸流泵出水流道的形式時，需要對不同形式出水流道的基本流態進行分析。本文概述了立式軸流泵出水流道的基本流態及水力設計，對立式軸流泵的出水流道三維流動數值模擬及其結果進行了探討分析。

【關鍵詞】立式軸流泵；出水流道；水力設計；三維流動數值模擬

一、立式軸流泵出水流道的基本流態及水力設計的概述

立式軸流泵的出水流道作用是使水流有序地轉向和平緩地擴散，在流道內盡可能不產生脫流及旋渦、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提防，而且流道可以直接擋洪、斷流方式簡單可靠，因此在大型立式軸流泵站中得到了廣泛的應用。第二、直管式出水流道形狀相對簡單，施工方便，在大型立式軸流泵站中也得到了應用。對于中高揚程泵站，直管式出水流道的轉向角度一般不大于60°；對于低揚程泵站，由于水泵導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°的轉向。國家標準《泵站設計規范》（GB/T 50265-97）推薦：對于立式軸流泵站，當出水池水位變化幅度不大時，宜采用虹吸式出水流道，配以真空破壞閥斷流方式；對于出水池最低運行水位較高的泵站，可采用直管式出水流道，在出口設置拍門或快速閘門，并在門后設置通氣孔。

出水流道的水力設計應滿足下列要求：（1）流道出口的平均流速一般不大于1.5 m/s，對于揚程低、運行時數多的泵站，不宜大于1.0 m/s；（2）在各種運行工況下，出水流道內無旋渦、渦帶等不良流態；（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數值模擬分析

1、計算方案。結合某泵站為例，泵站設計揚程為H=4.6 m，設計流量為Q=25 m3/s，水泵葉輪直徑為D0=2.65 m。根據該泵站出水流道形式比選的要求，對該站進行了虹吸式和直管式兩種不同形式出水流道三維流動的數值模擬及優化水力設計。兩種形式出水流道的長度相等，流道出口斷面的高度和寬度相等、頂高程根據最低出口水位確定；兩種形式出水流道在高度方向的控制尺寸則根據各自幾何體型的特點和要求在該泵站許可的范圍內取值：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向上彎曲，以加大轉彎半徑、減少脫流，向上彎曲的程度決定于水泵頂蓋的安裝高程。

2、三維流動數值模擬的數學模型。計算流體動力學（CFD）的理論及技術的發展，開發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尾水管、蝸殼、葉輪內和整個裝置內的流動，進行水力機械的性能預測和優化設計。本文采用了目前國內外應用最為廣泛的FLUENT軟件。（1）控制方程。出水流道內部流場數值模擬的控制方程包括連續性方程、動量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程已有很多文獻作了介紹，本文不再贅述。（2）邊界條件。第一、進口邊界。計算流場的進口設置在水泵后導葉出口斷面，在該斷面認為來流速度在整個斷面上均勻分布，計算流量可作為已知條件，故而進口邊界采用速度進口邊界條件。由于一般導葉出口的水流都不同程度地具有剩余環量，故在這里預置了一定的環量。第二、出口邊界。為了準確地應用出口邊界條件，將計算流場的出口設置在距流道出口有足夠遠的出水池內，這里的流動是充分發展的，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所有固壁處的節點應用了無滑移條件，而對緊靠固壁處節點的紊流特性，則應用了所謂對數式固壁函數處理，以減少近固壁區域的節點數。第四、自由表面。出水池的表面為自由水面，若忽略水面風引起的切應力及與大氣層的熱交換，則自由面對速度和紊動能均可視為對稱平面處理。

三、出水流道三維流動數值模擬與模型試驗的結果分析

1、出水流道三維流動數值模擬結果。（1）虹吸式出水流道的三維流場。對虹吸式出水流道進行了三維流場數值模擬：流道進口的水流具有一定環量，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大，上升段內的流速還是逐步減小，由于轉向角度和擴散較為平緩，該段流道內無脫流現象；受水流慣性和環量的雙重影響，流道下降段內左右兩側的流場不對稱，順水流方向看，主流偏向流道下降段的左側上部，而在流道右側下部區域出現立面方向的局部旋渦，旋渦的范圍較小、強度較弱。

（2）直管式出水流道的三維流場。對直管式出水流道進行了三維流場數值模擬：流道進口的水流具有環量，水流呈螺旋狀流入流道；由于流道作90°轉向時的轉彎半徑較小，受水流慣性和環量的雙重影響，在流道作90°轉向之后，流道下降段內左右兩側的流場明顯不對稱，順水流方向看，主流偏向流道下降段的左側上部，而在流道右側下部區域出現了較大范圍的旋渦。

2、出水流道模型試驗的結果。分別對虹吸式和直管式出水流道進行了透明流道模型試驗研究。在模型試驗中觀察到的兩種形式出水流道內基本流態與數值模擬的結果完全一致。

結束語

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，可以更好地適應低揚程泵站上、下游水位差較小的特點，可以獲得更好的流態和更小的水力損失，對于年運行時數較多的低揚程大型泵站，在泵站上游水位的變幅允許的條件下，應優先選用水力性能較好的虹吸式出水流道。

參考文獻：

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