基于FLUENT分析泵站出水端流態(tài)數(shù)值模擬

麻江峰

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

祁縣賈令提水灌溉工程是汾河灌區(qū)節(jié)水改造工程項(xiàng)目中的一部分。水源工程包括分水閘、苗家堡泵站、引水管線等部分。主要任務(wù)是為賈令鎮(zhèn)、李家堡村附近733.33 hm2，西陽羽村、豐澤村及前營村600 hm2農(nóng)作物供水，設(shè)計(jì)流量為0.77 m3/s。本工程取水口位于東干渠昌源河渡槽下游，線路終點(diǎn)位于賈令鎮(zhèn)南1.3km處。取水口分水閘布置在東干昌源河渡槽下游節(jié)制閘左側(cè)，距離廟堡村約300 m。設(shè)分水閘從東干渠渠道取水，經(jīng)苗家堡泵站加壓提水后，用DN 900球墨鑄鐵管輸水。引水線路全長7.31km，泵站1座，總裝機(jī)480kW。工程沿線設(shè)排氣閥井13座、排水閥井10座、流量計(jì)井 1座、檢修閥室 1座、分水閥室 3座、穿公路段4處、穿河（溝）段1處、鎮(zhèn)墩60個(gè)。

1 模型建立

FLUENT軟件具有非常靈活的網(wǎng)格特性，能模擬分析各種任意復(fù)雜外形和體積的二維及三維幾何模型，因此其應(yīng)用也非常廣泛，如層流及湍流問題、可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問題，定常和非定常流、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題等。FLUENT軟件計(jì)算進(jìn)程和計(jì)算結(jié)果可以通過監(jiān)測器隨時(shí)觀察，并且計(jì)算結(jié)果能夠保存多種格式文本。FLUENT軟件求解過程文章用到三個(gè)軟件，即前處理軟件（GAMBIT）、求解器（FLUENT）、后處理軟件（TECPLOT）。

苗家堡泵站承擔(dān)著提水供水的任務(wù)，泵站內(nèi)有三個(gè)進(jìn)口端和三個(gè)出口端，中間安裝3臺(tái)水泵，單機(jī)流量為0.257 m3/s，裝機(jī)容量為3×160 kW。本文選取苗家堡泵站的三個(gè)出水端及14.45 m的輸水管線進(jìn)行流態(tài)數(shù)值模擬。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行苗家堡泵站的三個(gè)出水端及輸水管線的二維模型建立，其中三個(gè)出水端管選擇DN 400球墨鑄鐵管，長度分別為11.2 m、11.6 m、12.0 m。輸水管線14.45 m，其中DN 400球墨鑄鐵管2.95 m，DN 600球墨鑄鐵管4.0 m，DN 900球墨鑄鐵管7.5m。利用GAMIBIT軟件進(jìn)行模型的建立，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)格劃分及FLUENT求解

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

三個(gè)出水端及輸水管線合并成一個(gè)二維面，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用Quad網(wǎng)格和Submap的劃分方式，網(wǎng)格間距選0.1 mm。設(shè)定三個(gè)出水端的進(jìn)水入口為速力入口邊界（velocity-inlet），輸水管線出口為壓力出口邊界（pressure-outlet），完成設(shè)置后，進(jìn)行網(wǎng)格輸出，如圖1。

2.2 FLUENT軟件設(shè)置

FLUENT對模型的設(shè)定過程包括檢查、顯示和標(biāo)定網(wǎng)格，然后在對模型進(jìn)行設(shè)計(jì)算過程的設(shè)置，求解器選擇的是segregated，液體流態(tài)為湍流。采用二階離散方法計(jì)算，通過觀察殘差監(jiān)測器中的迭代收斂曲線，分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否滿足收斂條件。最后導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Tecplot軟件中進(jìn)行各種流態(tài)分析。管道中的水流軌跡流線圖，如圖2。

圖2 三個(gè)出水端及輸水管線內(nèi)水流軌跡流線圖

3 三個(gè)出水端及輸水管道內(nèi)壓力場分析

在設(shè)計(jì)流量0.77 m3/s的狀態(tài)下，模擬繪制出管道壓力分布圖（見圖3），由圖3可知：三個(gè)出水端水管中，上管內(nèi)壓力在7 000～8 000 Pa，中間管內(nèi)壓力在4 000～5 000 Pa，下面管內(nèi)壓力在1 000～2 000 Pa；輸水管線管內(nèi)2.95 m的DN 400管內(nèi)壓力在5 000～6 000 Pa，4.0 m的DN 600管內(nèi)壓力在3 000～4 000 Pa，7.5 m的DN 900管內(nèi)壓力在-1 0000～0 Pa。三個(gè)出水端及輸水管線管道內(nèi)的壓力分布總體沿水流方向逐漸減小，這是由于水流水頭損失原因造成的。

圖3 三個(gè)出水端及輸水管線內(nèi)壓力分布圖

在最下面出水端和輸水管道交叉處出現(xiàn)壓力分布-2 000～-1 000 Pa的現(xiàn)象，表明該區(qū)域產(chǎn)生了負(fù)壓，可能產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，這對管道是不利的，因此在出水端向輸水管道供水時(shí)應(yīng)特別注意閥門的開啟和閉關(guān)時(shí)間和開度，在管道施工中也應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，尤其是這種管道交叉處更應(yīng)做好加固措施。

4 三個(gè)出水端及輸水管道內(nèi)速度矢量圖分析

選取X-Velocity和Y-Velocity的速度矢量圖進(jìn)行分析。X-Velocity的速度矢量圖中輸水管線管內(nèi)的速度分析可知：2.95 m的DN 400管內(nèi)速度在0.2～0.4 m/s，4.0 m的DN 600管內(nèi)速度在0.6～1.0 m/s，7.5 m的DN 900管內(nèi)速度在0.8～1.0 m/s。在DN 400管內(nèi)出現(xiàn)速度0.2～0.4 m/s的現(xiàn)象主要是由于中間管道供水時(shí)，無形中造成一定阻力，影響其水流行進(jìn)；在DN 600管內(nèi)出現(xiàn)速度0～0.2 m/s的現(xiàn)象，除了下面下方水管造成的阻力外，水流管道從DN 400變成DN 600時(shí)，上下水流交匯會(huì)形成一定漩渦造成的。因此在出現(xiàn)漩渦的管道部位在施工和供水運(yùn)行時(shí)應(yīng)多加注意，如圖4。

圖4 三個(gè)出水端及輸水管線內(nèi)X-Velocity速度矢量圖

Y-Velocity的速度矢量圖中輸水管線管內(nèi)的速度分析可知：在靠近管道外邊緣時(shí)，流速基本能達(dá)到2.4～2.6 m/s，在靠近三個(gè)出水端時(shí)，流速變緩基本在1.0～1.2 m/s。這說明在三個(gè)出水端同時(shí)供水時(shí)，由于輸水管線有三種尺寸，大大制約了水的流動(dòng)，在DN 400管內(nèi)總體流速在2.0 m/s左右，在DN 400管內(nèi)總體流速在2.5 m/s左右，在DN 400管內(nèi)總體流速在3.0 m/s左右，如圖5。

圖5 三個(gè)出水端及輸水管線內(nèi)Y-Velocity速度矢量圖

5 結(jié)論

通過對苗家堡泵站中的三個(gè)出水端及輸水管線內(nèi)壓力分布和X、Y-Velocity速度矢量分布圖的分析，進(jìn)一步了解管內(nèi)水流壓力分布和流速分布，并且找出可能受影響的工程部位，為球墨鑄鐵管在泵站施工和供水運(yùn)用時(shí)提供一定的參考依據(jù)。