基于CFD的泵安裝位置對(duì)一體化泵站水力特性影響研究

顏紅勤，蔣紅櫻，成 立，李尚紅，王 默，陳 偉

（1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；3.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225220；4.海南省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院安徽分院，合肥 230000）

0 引 言

【研究意義】目前我國(guó)城市化進(jìn)程較快，城鄉(xiāng)供水排水需求與日俱增，迫切需要建設(shè)泵站進(jìn)行及時(shí)的輸送[1-3]。目前使用居多的仍然是混凝土泵站，但其具有占地面積大、建設(shè)周期長(zhǎng)、投資較大、耗費(fèi)人力、物力等缺點(diǎn)，同時(shí)混凝土泵站建成后不易移動(dòng)[4-6]。一體化泵站是一種比較新型的泵站，從制造、安裝到維護(hù)都較簡(jiǎn)便，可被廣泛應(yīng)用。另外，一體化泵站的建設(shè)可解決一定的當(dāng)?shù)赝恋鼐o缺以及環(huán)境污染問(wèn)題。

【研究進(jìn)展】迄今為止，國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者對(duì)一體化泵站做出了研究。尹富榮[7]提出了相關(guān)大型組合泵站的一體化設(shè)計(jì)。談?wù)龔?qiáng)[8]進(jìn)行了一體化泵站內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)模擬與分析，提出了順序并聯(lián)和對(duì)稱并聯(lián)2種方案。張子旭等[9]在不同運(yùn)行方式下，指出了一體化預(yù)制泵站中潛水泵對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，入口偏流角較小；一體化預(yù)制泵站的應(yīng)力從筒底到筒頂逐漸減小，應(yīng)變則逐漸增大。成立等[10]研究了一體化泵站底部自清潔措施。【切入點(diǎn)】前人對(duì)一體化泵站的研究主要還是偏重于工程中的具體應(yīng)用，對(duì)潛水軸流泵及其水泵安裝位置的影響研究較少。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)數(shù)值模擬，選取潛水軸流泵為研究對(duì)象，改變一體化泵站中心距L、泵間距S，進(jìn)行計(jì)算分析一體化泵站內(nèi)部流動(dòng)特性及其對(duì)水力性能的影響。

1 計(jì)算模型與方法

1.1 研究物理模型

一體化泵站結(jié)構(gòu)包含集水池，2臺(tái)左右對(duì)稱安置的潛水式軸流泵，內(nèi)部包括葉輪，導(dǎo)葉和2個(gè)潛水電機(jī)，以及1個(gè)進(jìn)水口和2個(gè)出水管道。根據(jù)文獻(xiàn)和廠家運(yùn)行實(shí)踐，一體化泵站的筒體有效容積與流量的關(guān)系為：V=Qb/4Zmax，其中Qb為泵流量，Zmax為最大啟停次數(shù)（10~30次/h）。本文計(jì)算取Zmax為15次匹配有效容積和泵流量關(guān)系。本文CFD計(jì)算筒體水體為直徑和高均為1 m的圓柱筒，水泵流量198 m3/h，葉輪直徑為120 mm，葉片數(shù)為3，轉(zhuǎn)速為2 400 r/min。

1.2 網(wǎng)格剖分

將一體化泵站分為集水池、泵體、喇叭口，出水管道等4部分進(jìn)行分塊網(wǎng)格剖分。采用ICEM CFD軟件對(duì)泵體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，喇叭口、出水管道和集水池采用Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖1為泵體部分網(wǎng)格。

圖1 泵體部分網(wǎng)格劃分Fig.1 Part grid division of pump body

由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε[11-12]模型形式簡(jiǎn)單，對(duì)算法的適應(yīng)性很強(qiáng)；RNGk-ε[13-14]模型和 Realizablek-ε[15]模型模擬具有較高的主流剪切率和存在較大曲率壁面情況的流場(chǎng)。通過(guò) 3種模型計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型收斂較好，最終選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型進(jìn)行研究。

在泵體、出水管、喇叭口部分滿足網(wǎng)格數(shù)量要求的前提下，對(duì)集水池進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，采用網(wǎng)格數(shù)量為30萬(wàn)~130萬(wàn)，并用水泵Ⅰ效率作為評(píng)判指標(biāo)。最終集水池計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量為120萬(wàn)（圖2）。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性Fig.2 Grid independent

1.3 計(jì)算方法及邊界條件

運(yùn)用ANASYS CFX進(jìn)行數(shù)值模擬，基于不可壓縮流體的連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均 N-S方程，忽略熱交換，離散格式采用一階迎風(fēng)格式，收斂精度為10-5。在進(jìn)水口前加一進(jìn)水段，使得水流進(jìn)入進(jìn)水口時(shí)充分發(fā)展為紊流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)口邊界條件設(shè)置于進(jìn)口段的進(jìn)口斷面上，采用中等紊流密度（Medium Intensity）5%，出口邊界條件設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；在固體邊壁處規(guī)定無(wú)滑移條件，近壁面采用 Scalable Wall Function函數(shù)法處理，動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子（Frozen Stator）模型，以保證交界面的連續(xù)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 中心距對(duì)一體化泵站水力性能的影響

一體化泵站水泵安裝位置參數(shù)包括水泵安裝的中心距L和泵間距S（圖3），中心距L為2臺(tái)水泵所在出水管道的水平中心點(diǎn)到集水池中心距離。表1為研究方案相關(guān)參數(shù)設(shè)置。為探究不同的中心距L對(duì)一體化泵站水力性能的影響，給定固定進(jìn)口條件為質(zhì)量流：Q設(shè)=198 m3/h，喇叭口懸空高為0.6DL，DL為喇叭口直徑，2水泵葉輪中心的泵間距為S=0.6R。分別研究中心距L=0.2R、L=0.4R、L=0.6R下一體化泵站內(nèi)部流動(dòng)特性。

表2為中心距變化對(duì)2臺(tái)水泵效率影響變化曲線與泵進(jìn)口流速均勻度隨中心距變化曲線。由表2可知，泵中心距對(duì)水泵水力效率影響較小，在泵中心距0.4R時(shí)泵進(jìn)口流速均勻度最高。中心距對(duì)水泵水力效率影響較小，但由于集水池內(nèi)水流不對(duì)稱和泵吸水影響，泵I與泵II的水力效率、泵進(jìn)口流速均勻度有一定差異，其中泵I水力效率較泵II高4%左右，泵I進(jìn)口流速均勻度較泵II高1%~4%。

圖3 計(jì)算參數(shù)示意圖Fig.3 Calculation parameters diagram

表1 研究方案Table 1 Research planes

表2 中心距對(duì)泵水力效率影響與泵進(jìn)口流速均勻度影響Table 2 Influence of center distance on hydraulic efficiency of pump and uniformity of flow velocity at pump inlet

為分析集水池內(nèi) 2臺(tái)泵中心距對(duì)流態(tài)和流速分布影響，分別取1-1、2-2縱斷面和喇叭口下方3-3、4-4橫斷面進(jìn)行分析，特征斷面具體位置如圖4所示。

圖4 特征斷面示意圖Fig.4 Special section diagram

圖5為不同中心距下，2臺(tái)水泵中心所在YZ平面集水池部分縱斷面（斷面2-2）流態(tài)和速度云圖，圖6為不同中心距下集水池橫斷面3-3流態(tài)和速度云圖，圖7為不同中心距下喇叭口處斷面4-4流態(tài)和速度云圖。

由圖5可知，當(dāng)中心距L為0.2R時(shí)，入水口處流速較快，集水池內(nèi)水流上下擴(kuò)散，2泵出水管道后方偏上位置均出現(xiàn)較明顯的漩渦；當(dāng)中心距L為0.4R時(shí)，入水口處流速較快，出水管道后方漩渦減小，但在管道前方上部位置均出現(xiàn)較小漩渦；當(dāng)中心距L為0.6R時(shí)，入水口處流速較平緩，池內(nèi)水流上下擴(kuò)散，2泵出水管道后方偏上位置的漩渦消失，但在出水管道前方水流漩渦面積明顯增大。縱斷面速度分布在3種不同管道中心距下大致相同。由圖6可知，在喇叭口下方均出現(xiàn)漩渦與高速區(qū)，水流發(fā)生偏移。方案 2中，喇叭口相對(duì)位置處出現(xiàn)漩渦，流場(chǎng)較雜亂；方案 3中，流線明顯發(fā)生偏移，嚴(yán)重影響喇叭口進(jìn)水條件。隨著中心距增加，2管道中心連線與后方壁面的減小，管道后方的流速分布趨于均勻。由圖7可知，當(dāng)中心距L為0.2R和0.4R時(shí)，流線不對(duì)稱，彎曲度較大；當(dāng)中心距L=0.6R時(shí)，流線彎曲度有所改善，流態(tài)相對(duì)較好。由圖7可知，在集水池中心區(qū)域的流速最高，并隨距離壁面的距離減小，流速也逐漸減小，但在2管道連線中心靠后位置出現(xiàn)一流速較大區(qū)域。

圖5 不同中心距下集水池內(nèi)流態(tài)與速度云圖Fig.5 Flow pattern and velocity contour map in pool with different center distances

圖6 不同中心距下3-3斷面流線與速度云圖Fig.6 Streamline and velocity contour of section 3-3 with different center distances

圖7 不同中心距下喇叭口處4-4斷面流線與速度云圖Fig.7 Streamline and velocity contour of section 4-4 with different center distances

2.2 泵間距對(duì)一體化泵站水力性能的影響

為探究不同的泵間距S對(duì)一體化泵站水力性能的影響，分別研究泵間距S為0.6R、0.8R和1.0R，3個(gè)方案一體化泵站內(nèi)部流動(dòng)特性。

表3為泵間距變化時(shí)2臺(tái)水泵效率和泵進(jìn)口流速均勻度。由表3可知，泵Ⅰ的水力效率值較泵Ⅱ高，泵I水力效率在泵間距0.4R時(shí)最高，泵II水力效率隨著2臺(tái)泵間距增大而下降。隨著泵間距加大，泵進(jìn)口流速均勻度下降。

表3 不同泵間距時(shí)泵水力效率與泵進(jìn)口流速均勻度Table 3 Influence of pump distance on hydraulic efficiency of pump and uniformity of flow velocity at pump inlet

圖8為不同泵間距下，2泵中心連線所在平面集水池縱斷面（斷面1-1）流態(tài)和流速云圖，圖9為不同泵間距下集水池橫斷面 3-3流態(tài)和速度云圖，圖10為不同泵間距下喇叭口處斷面4-4流態(tài)和速度云圖。由圖8可知，當(dāng)泵間距S為0.6R時(shí)，管道間有一明顯的流線集中點(diǎn)，流速分布不均勻，流態(tài)較差；當(dāng)泵間距S增大為0.8R時(shí)，管道間流線分布有所改善，較為均勻。在2管道間的水流集中點(diǎn)向上偏移；當(dāng)泵間距S增大到1.0R時(shí)，2管道間流線彎曲度稍加嚴(yán)重，在靠近泵Ⅱ出水管道一側(cè)出現(xiàn)漩渦。由圖9和圖10可知，2股旋轉(zhuǎn)的水流在2水泵連線中點(diǎn)左前方的位置匯合，隨泵間距的增加，旋轉(zhuǎn)流線的旋轉(zhuǎn)半徑均繞管道逐漸增加，使得 2管道間的流線趨于均勻和平順。當(dāng)泵間距S為0.6R時(shí)，喇叭口的下方區(qū)域在集水池中心位置出現(xiàn)較小的漩渦，但在喇叭口入口截面漩渦消失，流線與流速分布較為對(duì)稱；當(dāng)泵間距S為0.8R時(shí)，集水池中部近水泵Ⅱ一側(cè)出現(xiàn)較明顯的漩渦，泵后側(cè)流速分布較對(duì)稱，集水池內(nèi)靠近來(lái)水方向側(cè)流線與流速分布不均勻。當(dāng)泵間距S為1.0R時(shí)，集水池中心無(wú)較明顯的漩渦，泵后側(cè)流速分布較差，泵前側(cè)左右流線分布不均勻，流線偏向泵Ⅱ匯集，導(dǎo)致水泵Ⅱ附近流態(tài)較惡劣，這也是水力效率較泵II低的原因之一。

圖8 不同泵間距集水池內(nèi)流態(tài)及流速云圖Fig.8 Flow pattern and velocity contour map in pool with different pump distances

圖9 不同泵間距3-3斷面流線與速度云圖Fig.9 Streamline and velocity contour of 3-3 section with different pump distances

圖10 不同泵間距下喇叭口處4-4斷面流線與速度云圖Fig.10 Streamline and velocity contour of Section 4-4 with different pump distances

3 討論與結(jié)論

1）采用CFD技術(shù)對(duì)一體化泵站2臺(tái)泵運(yùn)行安裝位置進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，獲得了泵中心距和泵間距等參數(shù)對(duì)集水池和泵吸水流態(tài)及水力性能影響。

2）2泵雖采用對(duì)稱布置，由于集水池內(nèi)水流不對(duì)稱和泵吸水影響，泵I與泵II的水力效率、泵進(jìn)口流速均勻度有一定差異，其中泵I 水力效率較泵II 高4%左右，泵I 進(jìn)口流速均勻度較泵II 高1%~4%。

3）一體化泵站2 臺(tái)泵中心距的改變對(duì)水泵水力效率影響較小，而對(duì)泵吸水均勻性影響較大。而當(dāng)泵間距達(dá)到一定值后對(duì)泵吸入均勻影響較小，但集水池內(nèi)流態(tài)隨之更加惡化。

4） 建議2 臺(tái)泵的一體化泵站中心距L 推薦值0.4R，泵間距S 推薦值0.6R。

在一體化泵站對(duì)稱并聯(lián)與順序并聯(lián)2 種方案中，對(duì)稱并聯(lián)中筒體部的流速參數(shù)分布不均勻，順序并聯(lián)方案中入流速度更高[8]。一體化泵站在不同運(yùn)行方式下，水泵對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，入口偏流角較小；液位越低時(shí)，流速越高[9]。但本文研究發(fā)現(xiàn)，不同泵安裝位置情況下，各泵的水力效率有明顯差異，同時(shí)對(duì)泵進(jìn)口流速均勻度也將產(chǎn)生不同的影響。后期將對(duì)一體化泵站多相流進(jìn)行展開(kāi)研究，進(jìn)一步探討有關(guān)一體化泵站內(nèi)部流動(dòng)特性。

致謝：感謝揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供相關(guān)計(jì)算和研究條件！