井筒式泵裝置水力特性數值模擬

查智力　劉超　嚴天序

摘要：基于kε紊流模型和雷諾時均NS方程，運用商用CFD軟件，對井筒式泵裝置進行了三維流動數值仿真計算。通過對性能曲線的分析，發現設計工況下，進水管直徑較大時效率較高。對比進出水損失發現，進水損失隨著流量增大而增大，出水損失隨著流量增大先減后增。通過分析VX云圖和流線圖，發現進口管直徑較小時，流速較大，形成的漩渦也較大，漩渦區域渦量為大管徑時的2倍以上。對葉輪進口斷面軸向流速分布均勻度的分析，得到進水管較大時，葉輪進口的流速均勻度較高，但在流量超過330 L/s的工況下差異不明顯。從喇叭管進口斷面平均渦量的計算分析中，得到喇叭管進口斷面平均渦量隨著流量增大而增大，且進水管直徑較大時，平均渦量小，減小超過20%。

關鍵詞：井筒式泵裝置；水力特性；數值模擬；水力損失；渦量

中圖分類號：TV131.4文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02018907

Abstract：

Based on the kepsilon turbulent flow model and the Reynoldsaveraged NS equation，we performed threedimensional flow numerical simulation on the wellbore pump installation using commercial CFD software.Through the analysis of the performance curve，we found that the pump was more efficient when the diameter of the inlet pipe was larger.By comparing the loss of inlet water and outlet water，we found that the inlet water loss would increase with the flow rate，and the outlet water loss would first decrease and then increase with the increase of flow rate.By analyzing the VX cloud and flow graph，we found that when the diameter of the inlet pipe was relatively small，the flow velocity was relatively large， and the vortex was also large.The vorticity of the vortex was more than twice of that when the pipe diameter was large.Analysis on the distribution uniformity of axial flow velocity at the impeller inlet section revealed that the flow velocity uniformity of the impeller inlet was relatively high when the inlet pipe was large，but the difference was not obvious when the flow rate exceeded 330 L/s.From the calculation of the average vorticity at the inlet section of the belltube，we found that the average vorticity at the belltube inlet section would increase with the flow rate， and it would decrease by more than 20% when the inlet pipe diameter was large.

Key words：

wellbore pump installation；hydraulic characteristics；numerical simulation；hydraulic loss；vorticity

隨著國家城鎮化進程的加快，以及全國各種基礎設施建設，越來越多的區域里的廢水不能排出，這就需要泵站去提升和輸送[13]。一體化泵站應運而生，尤其在市政工程領域得到了較廣泛的應用。一[HJ1.95mm]體化泵站包含了泵站的所有要素，由水泵、管路、閥門、儀表、控制設備等組成[4]。主體為復合纏繞玻璃鋼筒體，抗腐蝕能力較好。一體化泵站采用的進水形式是井筒式的進水形式，但這種進水形式，水流在從進水管進入井內的過程中，往往會比較紊亂，容易形成漩渦，從而導致葉輪進水條件差。因此，使井內水流更加平順，盡可能避免漩渦的產生，提高水流的均勻性，從而提高葉輪入口的流速均勻度，是提高裝置效率的重要途徑。

目前，國內外學者做了一些對于一體化泵站應用的研究，但是對于一體化泵站性能方面的研究較少。Levey，Tom 和 Jeffus，Stephen[5]介紹了一體化泵站在設計和制造方面的發展，王東進[6]對一體化泵站進行了介紹，就一體化泵站和傳統混凝土泵站的各方面做了詳細的對比，體現出了一體化泵站的優勢。王卓穎[7]等進行了預制泵站在中小型泵站中的優化研究。胡凱[8]等以傳統泵站有效容積的計算方法為基礎，分析出一體化預制泵站的優化后的有效容積。

上述研究中，主要還是對于應用方面的介紹，對于具體的水力特性進行詳細分析的較少。本文結合相關研究[911]，提出了在常規的進水管直徑的基礎上進行改變，加大進水管直徑的方法，期望能改善泵裝置的水力特性。對井筒式泵裝置的水力特性進行數值模擬[1215]，分析其內部流動特性，以及兩種不同進水管尺寸的泵裝置水力特性區別。

1計算模型和網格

1.1幾何建模及數學模型

井筒式泵裝置主要由進水管、井筒、喇叭管、葉輪、導葉、出水管組成。其中，井筒直徑1 500 mm，進水管直徑400 mm，葉輪名義直徑300 mm，葉片數為四片。出水管由直管1、90°彎管、直管2三段組成，出水管直徑350 mm。該泵裝置物理模型示意圖見圖1。

1.2計算方法和邊界條件

水泵在正常情況下運行時，可以假定為不可壓縮黏性的流動，采用雷諾平均NS方程。kε湍流模型[1618]是迄今為止在工程中應用最為廣泛、積累經驗也最多的模型，在一般的定常計算中效果較好，因此本文采用標準kε湍流模型。整個計算域的進[CM（22]口設置在進水管入口，邊界條件按照流量給定：從[CM）]220 L/s到420 L/s，每隔20 L/s為一個計算工況，

高效區加密為10 L/s一個計算工況。出口設置在直管2的出口，邊界條件按照壓力條件給定：總壓力

為一個標準大氣壓。固體壁面設置為無滑移的邊界條件[19]。井筒內水位假定在與進水管上緣同等高度，自由水面根據剛蓋假定[20]設置為對稱面。葉輪為旋轉域，其他設置為靜止域，葉輪轉速為1 450 r/min。喇叭管出口與葉輪進口以及葉輪出口與導葉進口為動靜交界面，采用stage模型[21]，其余交界面都是一般連接。

1.3網格劃分

根據現有的研究[22]，一般推薦生成的葉輪單通道網格在7萬～9萬左右，導葉單通道網格在5萬～9萬左右為宜。本文葉輪和導葉采用TurboGrid軟件進行網格剖分，其中葉輪網格單元數434 528，導葉網格單元數557 277，基本符合推薦的范圍。管道的網格采用ICEM六面體結構化網格，其中直管的網格質量在065以上，彎管和喇叭管的網格質量在055以上。井筒部分的網格采用ANSYS mesh軟件剖分，網格數量1 529 441，控制最小角度大于18°。各部件的網格劃分見圖2。各部分的網格質量見圖3，90%以上都是好網格，還有一些可接受的網格，存疑的網格數量少于1%，根據參考教程[23]，網格質量能夠滿足計算要求。

2計算結果及分析

常見的井筒式泵站的進水管一般較小，尺寸和出水管接近。這可能使得進水流速較大，水力損失較大，從而性能較低。根據泵站設計規范，進水管內水流速度以1 m/s左右為宜，得到進水管直徑為660 mm左右，與400 mm的常規方案進行對比分析。在實際的泵裝置布置時，進水管前有較長的管路，較[CM（22]大的管徑會導致初期建設投資成本較高，因此[CM）]

2.1性能預測和水力損失

兩種方案的性能預測如圖4所示。在不同的流量工況下，方案2的揚程和效率始終高于方案1，并且隨著流量的增大，方案2與方案1的水力性能差值越來越大。其中，在設計工況下，即流量在330 L/s附近時，方案2的效率比方案1高59個百分點左右，揚程高035 m左右。在小流量工況下，這個差值較小；而在大流量工況下，差值更加明顯。

軸流泵裝置的特點是揚程低，這就導致井筒內的水頭損失和出水管的損失占裝置揚程比值較大，對水泵裝置效率的影響明顯，所以裝置的水頭損失直接影響到實際經濟效益[24]。由于井筒內部流態較為復雜，目前沒有此類水頭損失的系數數據可供使用，計算其水頭損失理論難度較大。因為其內部速度和壓力分布不規律，難以通過實驗的方法測得水頭損失。本文通過數值模擬得到流速場、壓力場，根據任意兩個截面的流速、壓力的平均值，運用伯努利方程便可以求出兩個截面間的水頭損失大小。計算得到的兩個方案的進水損失和出水損失見圖5。

根據圖5給出的曲線，進水損失隨著流量的增大而增大，出水損失隨著流量的增大先減后增。小流量工況下兩個方案的出水損失，以及大流量工況下方案1的進水損失都超過05 m，這對此時泵裝置運行的效率造成較大影響。總體來說，小流量工況下進水損失是小于出水損失的，但在流量較大時，方案1的進水損失大于出水損失。對比方案1和方案2，方案1的進水損失比方案2大015 m到065 m左右。而方案2的出水損失與方案1相差較小，說明進水管的改變對出水損失影響不大，主要影響進水損失。

計算了三種工況：小流量工況260 L/s，設計工況330 L/s，大流量工況400 L/s，截取三個工況下的進水管中心高度的XY平面截面進行分析，X方向（即進水管軸向）速度VX分布以及流線情況見圖6。由圖6可知，相同工況下，由于方案1的進水管直徑比方案2小，所以進水的VX比方案2大得多，甚至超過了兩倍。由于進水管正對著出水管的直管1的外壁，方案1流速較大，對管壁的沖擊會比較明顯，這也說明了方案1進水損失大的原因。此外，從流線分布情況中又可以看出，進水管中的水流入井筒后會形成一對漩渦，而且流量越大時漩渦越大，方案1大流量工況下漩渦中心附近平均渦量為小流量工況的4倍。對比方案1和方案2，則是流速較大的方案1形成的漩渦明顯大于方案2的漩渦。

為了得到兩個方案的漩渦大小的具體差值，取小流量工況、設計工況和大流量工況下該斷面的渦量圖見圖7。所截斷面位置，可以觀察到，水流從進水管進入后，按照順水流方向看分成左右兩側，形成一對漩渦，左側的漩渦為逆時針，右側漩渦為順時針，左右并不完全對稱。除了小流量工況下，右側漩渦中心附近平均渦量略大于左側。方案2的該斷面渦量很小，除了一對小漩渦的區域以及部分邊壁區域，渦量都不超過10 s1。方案1在井筒內形成較大的一對漩渦，且該斷面上整體的渦量明顯大于方案2。方案1漩渦區域較大，漩渦區域的渦量大于方案2的2倍。主要體現在進水管邊壁、直管1的邊壁以及水流進入井筒后形成的一對較大漩渦的附近。取漩渦核心區域計算圖示工況下的平均渦量，得到隨著流量的增大，渦量基本上是呈增大趨勢，右側漩渦基本略大于左側。

2.2葉輪進口斷面流速均勻度

為了分析水泵葉輪進水流態，引入水力性能指標參數：軸向速度分布均勻度[1]對葉輪進口斷面的水力性能進行分析，用面積加權的流速分布均勻度[25]的計算公式如下。

Vuna=[JB（[]1-[SX（]1[][AKV-]a[SX）][KF（][SX（]∑[DD（]n[]i=1[DD）]（Vai-[AKV-]a）2·ΔAi[]A[SX）][KF）][JB）]]×100%

式中：[AKV-]a為葉輪室進口斷面的平均軸向速度（m/s）；Vai為葉輪室進口斷面各單元的軸向速度（m/s）；A為斷面總面積。

泵裝置的葉輪進口斷面的軸向流速分布均勻度Vuna見圖8。隨著流量的增大，兩個方案的軸向流速分布均勻度都是提高的，但流量達到400 L/s后又趨于平緩，兩個方案之間均勻度差值也減小。該模型葉輪進口斷面的軸向流速分布均勻度總體都在935%以上，進水條件較好。與方案1相比，方案2的葉輪進口斷面的流速均勻度有所提高。但是在流量大于330 L/s的工況下提高的幅度較小，差距并不明顯。

2.3喇叭管進口斷面渦量

渦量是描寫旋渦運動重要的物理量之一，定義為流體速度矢量的旋度，漩渦通常用渦量來量度其強度和方向，渦量對水頭損失影響較大。由21中的斷面流線圖可知，方案1的井筒內部漩渦明顯大于方案2，喇叭管進口的漩渦已經減小，但還是可能對水泵造成一定影響。因此有必要進一步對喇叭管

進口斷面平均渦量進行分析。計算了兩個方案各流

量下的喇叭管進口斷面的平均渦量見圖9。由圖中曲線可知，隨著流量增大，喇叭管進口斷面平均渦量呈增大趨勢。方案2的喇叭管進口斷面的平均渦量比方案1的該斷面平均渦量小，減小了超過20%。這也和進水損失的情況相類似，說明進口尺寸較小的方案1，渦量較大，損失也較大。

小流量工況、設計工況和大流量工況下喇叭管進口斷面的渦量云圖及流線圖如圖10所示。由圖可知，在喇叭管進口斷面，兩個方案都有一對漩渦，尺寸較小，漩渦中心的位置位于靠近出水方向一側，其中沿著順水流方向看，左側的漩渦為逆時針方向，右側的水流為逆時針方向。方案1的漩渦方案偏離中心的位置的偏移距離大于方案2，且漩渦更為明顯。根據圖9，已經算得該斷面的平均渦量方案2比方案1減小了20%。在圖10讀取具體數值，得到兩個方案該斷面最小渦量比較接近。方案2在設計工況下的最大渦量比方案1小40%左右，但是在大流量工況下，最大渦量基本一致。

3結論

通過對兩種不同進口尺寸的方案進行數值模擬，分析其水流流動規律和水力特性，得到了如下結論。

（1）泵裝置的水力性能和進水損失隨著流量的增大而增大，方案1的進水損失是方案2的進水損失的2到3倍。各流量下方案2的效率、揚程均高于方案1，其中在設計工況下，方案2的效率比方案1高59個百分點左右。

（2）進水管中的水流入井筒后形成一對漩渦，方案1大流量工況下漩渦中心附近平均渦量為小流量工況的4倍，進水管出口流速較大的方案1形成的漩渦明顯大于方案2的漩渦，渦量為方案2的2倍以上。進水管直徑對葉輪進口斷面的軸向流速分布均勻度有一定影響，方案2比方案1略高，但在流量大于330 L/s的工況下差距并不明顯。

（3）喇叭管進口斷面平均渦量隨著流量增大而增大，且方案2的平均渦量比方案1減少了20%以上，有助于水泵性能的改善。

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