某泵站不同葉輪直徑出水流道方案的數值計算

黃金軍 陳阿萍 葉曉東 尹 華

（1.常州市水利規劃設計院 常州 213000； 2.常州市城市防洪工程管理處 常州 213000）

某泵站不同葉輪直徑出水流道方案的數值計算

黃金軍1陳阿萍2葉曉東1尹 華1

（1.常州市水利規劃設計院 常州 213000； 2.常州市城市防洪工程管理處 常州 213000）

采用數值計算的方法，利用Fluent流體力學分析軟件研究了某大型低揚程立式泵站不同葉輪直徑出水流道的基本流態，并將流道的水力損失進行了比較。結果表明：隨著葉輪直徑的增大，出水流道內的流態明顯的改善，出水流道的水力損失明顯減少。

進水流道 基本流態 水力損失 比較

1 引言

出水流道是泵站裝置的一個重要組成部分，出水流道的水力性能對泵站的裝置效率有著重要的影響，特別是對低揚程泵站，其重要性顯得更為突出。本文借用某大型低揚程立式泵站H站的有關參數，采用流道單獨研究的方法，利用Fluent流體力學分析軟件對與不同葉輪直徑配套的虹吸式出水流道的水力性能進行研究。該方法的最大特點是可以較為準確地了解出水流道的水力特性，并便于對它們進行多方案的比較。

2 關于出水流道

與大型立式軸流泵配套使用的出水流道形式一般有虹吸式和直管式出水流道。國家標準《泵站設計規范》（GB/T 50265-2010）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；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。

虹吸式出水流道是一種彎曲形的流道，由于它可以安全地越過堤防，而且流道可以直接擋洪，在斷流方式方面的優點突出，在大型立式泵站中得到了十分廣泛的應用。虹吸式流道采用真空破壞閥斷流，不需要設置快速閘門或拍門，不僅投資省、日常維護工作量小，而且可靠性高。

本文選擇了水力性能最好、應用最為廣泛的虹吸式出水流道為對象，研究葉輪直徑對出水流道水力損失的影響。

3 虹吸式出水流道計算方案

本文借用H泵站的有關參數，確定了水泵葉輪直徑為D=3.0m、D=3.4m和D=3.6m三個研究方案，分別對與這3個葉輪直徑的水泵相配套的虹吸式出水流道方案進行了優化水力計算。這三個方案出水流道方案的控制尺寸相同，但流道進口段的幾何形狀根據導葉出口的幾何尺寸做了相應調整。本文所采用經過優化后的三個方案的出水流道單線圖見圖1。

4 出水流道計算區域及邊界條件

為方便設置出水流道進、出口的邊界條件，分別沿出水流道的進、出口分別向外拉伸一定長度，出水流道的數值計算區域包括進水直管、出水流道和出水池，出水流道的取壓斷面設在出水流道的進口和距出水流道出口有一段距離的出水池內。出水流道計算區域如圖2所示。

為了準確地應用進口的邊界條件，將計算流場從出水流道的進口斷面逆水流方向等直徑延伸，使計算流場的進口斷面設置在距出水流道進口2倍圓管直徑處。在這里，可認為來流速度在整個斷面上均勻分布，計算流量作為已知條件，故而計算流場的進口采用速度進口邊界條件。考慮到導葉出口的水流一般都不同程度具有剩余環量，為了模擬實際的流動情況，根據對模型泵出口水流環量的測試結果，對流場進口的水流預置一定的環量；計算流場的出口設置在距流道出口有一定距離的出水池內，出口斷面為一垂直于水流方向的斷面。在這里，流動是充分發展的，可采用自由出流邊界條件。

5 出水流道計算區域網格剖分

本章對出水流道計算區域內不同的計算單元采用不同網格類型、不同網格密度的網格剖分形式。即對出水流道采用適應性較強的非結構化網格，進水直管和出水池采用混合網格、cooper網格進行延拓，具體網格剖分情況如圖2所示。

6 出水流道的數值計算結果

三個方案的出水流道表面流場圖和分層流場圖分別見圖3、圖4。

從出水流場圖可以看出：由于在出水流道進口預設了一定的進口環量，因此水流是旋轉著進入出水流道的；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；流道下降段內水流由于受到水流慣性和環量的雙重作用，導致下降段內左右兩側的流場不對稱，順水流方向看，主流偏向流道的左側上部，而在流道右側下部區域可能出現局部旋渦。

通過流場還可以清楚地看到：方案1的出水流道在下降段的右側下部區域存在一個明顯的低速回流區，隨著葉輪直徑的增大，回流區區域逐漸減小，方案3的出水流道內已經無回流區域。

三個方案出水流道的水力損失計算結果見表1，由計算結果可以看出，出水流道的水力損失接近于與葉輪直徑的4次方成反比。

圖1 三個方案出水流道單線圖

圖2 出水流道計算區域網格剖分圖

圖3 各方案出水流道表面流場圖

表1 3個方案出水流道數值計算結果表

圖4 各方案出水流道分層流場圖

7 結論

本文采用流道單獨研究的方法對不同葉輪直徑的3個虹吸式出水流道進行三維湍流流動數值模擬，并對計算結果進行了比較分析，得到如下結論：

（1）在設計流量一定的條件下，選取較大的水泵葉輪直徑有利于改善出水流道的流態和減少出水流道水力損失，進而提高泵站裝置效率。

（2）適當加大水泵葉輪直徑，出水流道控制尺寸沒有隨葉輪直徑的增加而增加，只是相應的調整出水流道的進口型線，因此土建投資增加較少