立式軸流泵直管式出水流道CFD水力設(shè)計研究

張志彪，吳圣賢

(安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230000)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，區(qū)域現(xiàn)狀排澇設(shè)施的排水標(biāo)準(zhǔn)和排水能力不足，致使這些區(qū)域遭遇短歷時強(qiáng)降雨因排水不及時而內(nèi)澇嚴(yán)重，嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，需要新擴(kuò)建或拆除重建現(xiàn)有排水泵站工程，提高排澇減災(zāi)能力[1]。前池、進(jìn)水流道和出水流道作為泵站的主要組成部分，此前其結(jié)構(gòu)設(shè)計與水力設(shè)計往往依靠經(jīng)驗，僅少數(shù)重要的大型泵站中會采用模型試驗輔助設(shè)計，雖能精確地得到各種設(shè)計所需數(shù)據(jù)，但模型試驗耗時長、費用高，很難在工程設(shè)計中被廣泛推廣。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)CFD仿真技術(shù)憑借其成本低、速度快且可模擬各種工況等優(yōu)點，目前正越來越多地被應(yīng)用于泵站水力優(yōu)化設(shè)計中，并取得了良好效果。周亞軍等運用CFD模擬了水閘及通航建筑物水流運動過程，并優(yōu)化了豎井貫流泵裝置進(jìn)出水流道[2]。張亞等運用CFD技術(shù)優(yōu)化了虹吸式出水流道設(shè)計方案，繪制了對應(yīng)流量—揚程、流量—效率曲線[3]。顧春雨等采用CFD數(shù)值模擬對多機(jī)組泵站復(fù)合前池進(jìn)行了水力優(yōu)化設(shè)計[4]。楊帆等采用ICEM CFD數(shù)值計算和PIV流場測試，分析了隔墩對軸流泵直管式出水流道內(nèi)流及脈動的影響及流動特性[5-6]。顏紅勤等采用CFD技術(shù)分析了臥式泵站直管式出水流道內(nèi)部流動特性及水力損失[7]。

文章采用CFD技術(shù)，對池州市天生湖一站出水流道三種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行了分析，并以水力損失最小為目標(biāo)，通過分析三種方案的數(shù)值模擬結(jié)果，提出了較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和水力設(shè)計計算方法供相關(guān)工程應(yīng)用。

1 工程概述

天生湖一站位于池州市西郊的杏花村國家5A級旅游景區(qū)，屬于“安徽省加快災(zāi)后水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)實施方案”中排澇泵站建設(shè)內(nèi)容，對保障區(qū)域居民及文化旅游區(qū)的財產(chǎn)安全和穩(wěn)定健康意義重大。

本站為閘站結(jié)合式構(gòu)造，進(jìn)水流道前布設(shè)檢修閘及攔污柵，采用潛水式立式軸流泵、鐘型進(jìn)水流道及直管式出水流道，壓力水箱末端與排澇出水箱涵連接。本站設(shè)計排澇流量為17m3/s，設(shè)計裝機(jī)4臺1400ZDB-100A型潛水泵，配4臺YQGN990-16型電動機(jī)，單機(jī)容量為355kW，總裝機(jī)容量為1420kW，具有抽排功能。

根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》[8]，確定天生湖一站工程等別為Ⅲ等，前池、泵房、壓力水箱、排澇出水涵等主要建筑物級別為3級。天生湖一站設(shè)計運行特征水位詳見表1。

表1 天生湖一站設(shè)計運行特征水位 單位：m

2 三維數(shù)值計算

2.1 三維計算軟件

計算流體動力學(xué)(CFD)是一門預(yù)測流體流動、化學(xué)反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)及相關(guān)物理現(xiàn)象的學(xué)科。將質(zhì)量、動量、能量及組分質(zhì)量守恒方程組離散為代數(shù)方程組，通過數(shù)值的方法求解代數(shù)方程組以獲得流場解，是模型試驗的有效補(bǔ)充，可以很大程度上縮短設(shè)計周期。

文章使用SolidWorks進(jìn)行出水流道三維建模，使用SolidWorks Flow Simulation模塊平臺進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分及求解。

2.2 控制方程與湍流模型

文章中CFD計算采用的控制方程為雷諾平均N-S方程，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[9-12]。

(1)

雷諾平均N-S方程：

(2)

式中，ρ—密度；t—時間；ui(i=x，y，z)—速度沿i方向的分量；p—壓力；v—運動黏性系數(shù)。

2.3 邊界條件設(shè)置

(1)進(jìn)口邊界條件

進(jìn)口設(shè)置在進(jìn)水延伸段的進(jìn)口端面處(圖1)，采用質(zhì)量流量進(jìn)口條件。

圖1 出水流道進(jìn)出口邊界及取壓位置圖

(2)出口邊界條件

出口設(shè)置在出水延伸段的出口端面處(圖2)，出口邊界采用環(huán)境壓力。

(3)壁面條件

壁面設(shè)置為絕熱、無滑移壁面；近壁區(qū)采用壁面函數(shù)處理，壁面粗糙度為25μm。

3 出水流道CFD優(yōu)化計算

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

將出水流道三維模型封閉后進(jìn)行布爾運算得到流體計算域，將計算域通過有限體積法進(jìn)行離散化即網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格質(zhì)量決定了數(shù)值計算的精度及可信度，本次數(shù)值模擬采用正交網(wǎng)格劃分方法，以提高計算精度。計算域網(wǎng)格截面示意如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格截面示意圖

3.2 方案設(shè)置

文章共設(shè)計三種出水流道布置方式，主要變化在于出水流道左側(cè)倒角角度及尺寸、出水流道出口側(cè)面夾角及尺寸。各參數(shù)含義如圖3所示，各參數(shù)取值見表2。

圖3 出水流道方案設(shè)置圖

表2 三種方案尺寸參數(shù)表

3.3 水力性能計算依據(jù)

根據(jù)伯努利能量方程[13]引入水力損失△h的概念，即通過CFD數(shù)值計算得到的流速場和壓力場，預(yù)測過流部件的水力損失，其計算式為

(3)

式中，E1—進(jìn)口總能量；E2—出口處總能量；ρ—密度；g—重力加速度；u—流速；p—壓力；Z—水頭。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 計算結(jié)果

通過對三種方案出水流道進(jìn)行CFD計算，得到了出水流道內(nèi)流場流線分布、速度矢量及靜壓云圖，如圖4～圖6所示。

4.2 結(jié)果分析

從圖4中可以看出，當(dāng)水流進(jìn)入出水流道后，由于結(jié)構(gòu)面積突然擴(kuò)大，流線向四周擴(kuò)散，產(chǎn)生近似閉環(huán)的渦管，隨著流道逐漸收縮整流，水流至出口位置時已較為均勻。三種方案流線的區(qū)別，主要體現(xiàn)在出水口左側(cè)區(qū)域，由于方案1的出水口左右兩側(cè)夾角均較小，可以為出水水流提供更大的空間，因此方案1流線發(fā)展最充分、線型最好；方案2和方案3的流線形態(tài)較比方案1差，說明出水口左側(cè)或右側(cè)夾角的增大，一定程度上擠壓了水流的發(fā)展空間，且方案3的流線略好于方案2，說明出水口左側(cè)空間的大小對流線形態(tài)影響更大。

圖4 出水流道流線圖

從圖5中可以看出，三種方案水流速度矢量無明顯差異，水流流經(jīng)泵時，流速達(dá)到最大，隨著水流向四周擴(kuò)散，流速迅速減小，當(dāng)水流匯集到流道出口處時，伴隨著斷面尺寸的減小，流速逐漸增大。

圖5 出水流道速度矢量圖

從圖6中可以看出，三種方案出水流道計算域各剖面靜壓分布均較為均勻，流道入口處靜壓較大，出口處靜壓逐漸減小，局部結(jié)構(gòu)不規(guī)則處和尺寸突變位置伴有壓力突變現(xiàn)象。

圖6 出水流道靜壓云圖

經(jīng)監(jiān)測出水流道進(jìn)出口取壓位置的總壓，計算得出水流經(jīng)三種方案出水流道的損失，方案1為0.181m，方案2為0.204m，方案3為0.192m。

5 結(jié)論

通過對三種出水流道設(shè)計方案的CFD數(shù)值模擬計算可知，方案1的流線線型最優(yōu)，速度矢量變化規(guī)律及靜壓分布規(guī)律均較合理，且該方案的水力損失最小，因此，出水流道兩側(cè)夾角較小、出水流道空間布局更開闊的方案1為最優(yōu)設(shè)計方案。

該立式軸流泵直管式出水流道的CFD仿真計算方法及結(jié)構(gòu)布置形式，對類似工程具有一定的參考價值。

文章中CFD水利設(shè)計研究存在一定的不足，由于泵站受現(xiàn)場高程等因素限制，本次仿真計算未考慮出水流道高度的變化對內(nèi)流場分布規(guī)律和水力損失的影響，值得進(jìn)一步深入研究。