泵站進(jìn)水池池寬水力特性數(shù)值模擬

趙苗苗

(揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

0 前 言

開敞式進(jìn)水池在中小型泵站中應(yīng)用廣泛，其主要作用是進(jìn)一步調(diào)整從前池進(jìn)入的水流，為水泵進(jìn)口提供良好的進(jìn)水條件。若進(jìn)水池設(shè)計不當(dāng)則易導(dǎo)致池內(nèi)流速分布不均勻，引發(fā)旋渦，進(jìn)而降低水泵的能量性能和汽蝕性能，甚至引起水泵機組的振動，導(dǎo)致水泵無法正常工作[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者大都通過試驗結(jié)果來確定進(jìn)水池的幾何尺寸，而由于試驗條件與環(huán)境的不同，所得到的實驗數(shù)據(jù)往往不一致[4-6]。近年來，計算流體力學(xué)已迅速發(fā)展，CFD軟件功能全面且適用性強，應(yīng)用范圍及作用不斷增大。如今，CFD技術(shù)的應(yīng)用已遍及航空航天、能源、機械制造、汽車、船舶、水處理、環(huán)保等眾多領(lǐng)域[7]。CFD可以看做是在流動基本方程(質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程)控制下對流動的數(shù)值模擬，越來越多的專家學(xué)者對進(jìn)水池幾何參數(shù)采用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。陸林廣等[8]對泵站進(jìn)水池進(jìn)行了優(yōu)化水力計算，并得出了進(jìn)水池的水力設(shè)計準(zhǔn)則；成立等[9]采用CFD技術(shù)對泵站進(jìn)水池基本流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對進(jìn)水管內(nèi)流速分布規(guī)律進(jìn)行了分析，并提出了葉輪名義高度建議取值范圍；王本成等[10]模擬了水泵進(jìn)水池的不同懸空高度，揭示了進(jìn)水池在不同懸空高度下的水力特性差異。

前人在研究泵站進(jìn)水池時大都說明了進(jìn)水池幾何參數(shù)的重要性及整流措施的有效性，進(jìn)水池池寬作為進(jìn)水池水力設(shè)計最重要的參數(shù)之一，不僅影響到進(jìn)水池中水流流態(tài)和水力特性，還關(guān)系到工程的土建投資，但目前針對進(jìn)水池的池寬對吸水管進(jìn)口水流條件的影響研究甚少。本文應(yīng)用CFD技術(shù)對進(jìn)水池不同池寬下的水力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部流態(tài)和水力性能，得到泵站進(jìn)水池池寬的取值范圍。

1 水力性能評判函數(shù)

水泵進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻度是衡量各斷面上速度分布情況的重要指標(biāo)。本文采用軸向速度均勻度Vau表示水泵進(jìn)口斷面的軸向速度分布的均勻程度，Vau越接近100%，表明水泵進(jìn)口斷面均勻性越好，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，其計算公式為：

(1)

2 數(shù)值計算模型

2.1 物理模型

圖1 泵站進(jìn)水池平面尺寸及三維模型圖 單位：mm

圖1為某取水泵站矩形進(jìn)水池模型示意圖。在UG10.0中建立了該泵站進(jìn)水池的幾何模型，其平面尺寸大小如圖1(a)所示。其中，葉輪直徑D為400 mm，進(jìn)水池長度L為2 000 mm，吸水喇叭管進(jìn)口至進(jìn)水池底部的距離C為0.6D，即240 mm，吸水管中心至進(jìn)水池后壁的距離為1.0D，即400 mm，管壁厚度為5 mm，池內(nèi)水深H為0.9 m。水泵為300ZL-125型，單機流量0.32 m3/s。三維模型如圖1(d)所示，圖中X方向為進(jìn)水池長度方向；Y方向為進(jìn)水池高度方向；Z方向為進(jìn)水池寬度方向。

2.2 邊界條件的設(shè)置

邊界條件的設(shè)置對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著相當(dāng)大的影響。本文將入口邊界設(shè)置為質(zhì)量流，出口邊界設(shè)置為靜壓，即將進(jìn)水池進(jìn)水?dāng)嗝孀鳛檎麄€計算域的進(jìn)口，設(shè)為質(zhì)量進(jìn)口，流量為0.32 t/s。由于進(jìn)水池內(nèi)流速不大、水面波動不大，將自由水面設(shè)為對稱面，忽略空氣對水面的切應(yīng)力作用。出口位于水泵的出口，采用靜壓進(jìn)口邊界條件，壓力值為1 atm。其余部分(包括進(jìn)水池邊壁、吸水管等)設(shè)為wall，采用無滑移的壁面進(jìn)行處理。計算步數(shù)為 1 000步，收斂精度為10-5。在數(shù)值計算時得到了較穩(wěn)健的收斂性，計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型圖

2.3 網(wǎng)格劃分

由于計算域形狀相對復(fù)雜，采用分塊生成網(wǎng)格的方法，即將整個計算域劃分成進(jìn)水池和水泵吸水管內(nèi)部2個部件，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。設(shè)置網(wǎng)格形狀為四面體，進(jìn)水池劃分網(wǎng)格尺寸大小為0.02 m，而將流動變化較劇烈的吸水管內(nèi)區(qū)域取較小尺寸的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為0.01 m。取水力損失作為選用合適網(wǎng)格數(shù)的衡量參數(shù)[12]，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過285萬時，總水力損失基本一致，相差都在2%內(nèi)，滿足計算要求。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

設(shè)定進(jìn)水池寬度B=1.2D、1.6D、2.4D、2.8D、3.0D、3.4D共6個方案進(jìn)行數(shù)值模擬，保持其他參數(shù)不變，根據(jù)進(jìn)水泵站的葉輪直徑D為400 mm，通過CFD數(shù)值模擬得到各方案下進(jìn)水池的流場分布，由于比較數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在各方案下的流場分布流線差異不大，即隨著進(jìn)水池寬度的改變進(jìn)水池中流場變化不大，并基本呈平滑線性變化，因此只取B=3.0D時的流場分布如圖3。

圖3 B=3.0D時的流場分布圖

為了更好地研究吸水管喇叭口的水流特性，選取喇叭口為特征斷面進(jìn)行流場分析。各方案下喇叭口處的速度分布見圖4。同時，為了進(jìn)一步定量地分析水泵進(jìn)水條件，選取距離喇叭口0.28 m的水泵葉輪附近的水泵進(jìn)口斷面作為特征斷面，并命名為0-0斷面，計算出各方案下0-0斷面的軸向速度分布均勻度，見表1。

表1 各方案下0-0斷面的軸向速度分布均勻度表

由圖4對比分析可以看出，6種方案下吸水管喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝娴妮S向速度分布趨勢基本一致，高速區(qū)都發(fā)生了偏移，偏向斷面左側(cè)，軸向速度沿四周平緩減小，整體上呈現(xiàn)出上下對稱分布。當(dāng)進(jìn)水池池寬B=1.2D時，如圖4(a)，吸水管喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝娴母咚賲^(qū)范圍最大，且斷面中左側(cè)軸向速度明顯高于右側(cè)，速度分布極其不均勻。當(dāng)進(jìn)水池池寬B=1.6D，見圖4(b)，喇叭口斷面中高速區(qū)范圍相對減小。當(dāng)B=2.4D時，由圖4(c)，喇叭口斷面中高速區(qū)范圍逐漸減小，速度分布較均勻。而當(dāng)B=2.8D、3.0D、3.4D時，根據(jù)圖4(d)、(e)、(f)看出，喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝娴母咚賲^(qū)范圍較小且大小位置幾近相同，斷面上速度分布趨于均勻。

由表1對比分析可以看出，當(dāng)進(jìn)水池達(dá)到一定寬度后，進(jìn)水池寬度對水泵性能的提升和進(jìn)水池流態(tài)的改善并不明顯。由于B=2.8D時水泵葉輪附近0-0斷面的軸向速度分布均勻度最大，考慮到進(jìn)水池寬度過大會增加工程土建投資，因此，綜合分析技術(shù)經(jīng)濟因素，矩形進(jìn)水池的寬度取(2.8～3.0)D作為設(shè)計參數(shù)較理想。

圖4 各方案下喇叭口處速度分布圖

4 結(jié) 語

采用CFD軟件對進(jìn)水池進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了進(jìn)水池在不同寬度下的水流特性及水泵進(jìn)口條件，數(shù)值模擬結(jié)果表明：

(1) 進(jìn)水池寬度的大小會對進(jìn)水池的水流特性及水泵的水力性能產(chǎn)生影響，進(jìn)水池寬度過小會使池中流速加快，產(chǎn)生不良流態(tài)，影響水泵進(jìn)口條件，進(jìn)而降低水泵效率。

(2) 根據(jù)吸水管喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝娴妮S向速度分布，結(jié)合水泵葉輪附近0-0斷面軸向速度分布均勻度進(jìn)行的綜合分析，建議矩形進(jìn)水池的寬度取(2.8～3.0)D作為設(shè)計參數(shù)。