立式軸流泵直管式出水流道CFD水力設計研究

張志彪，吳圣賢

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230000)

隨著城鎮化進程的加快和經濟社會的發展，區域現狀排澇設施的排水標準和排水能力不足，致使這些區域遭遇短歷時強降雨因排水不及時而內澇嚴重，嚴重影響區域經濟社會的可持續發展，需要新擴建或拆除重建現有排水泵站工程，提高排澇減災能力[1]。前池、進水流道和出水流道作為泵站的主要組成部分，此前其結構設計與水力設計往往依靠經驗，僅少數重要的大型泵站中會采用模型試驗輔助設計，雖能精確地得到各種設計所需數據，但模型試驗耗時長、費用高，很難在工程設計中被廣泛推廣。

隨著計算機技術的發展，計算流體力學CFD仿真技術憑借其成本低、速度快且可模擬各種工況等優點，目前正越來越多地被應用于泵站水力優化設計中，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，并優化了豎井貫流泵裝置進出水流道[2]。張亞等運用CFD技術優化了虹吸式出水流道設計方案，繪制了對應流量—揚程、流量—效率曲線[3]。顧春雨等采用CFD數值模擬對多機組泵站復合前池進行了水力優化設計[4]。楊帆等采用ICEM CFD數值計算和PIV流場測試，分析了隔墩對軸流泵直管式出水流道內流及脈動的影響及流動特性[5-6]。顏紅勤等采用CFD技術分析了臥式泵站直管式出水流道內部流動特性及水力損失[7]。

文章采用CFD技術，對池州市天生湖一站出水流道三種結構設計方案進行了分析，并以水力損失最小為目標，通過分析三種方案的數值模擬結果，提出了較優的結構設計方案和水力設計計算方法供相關工程應用。

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，屬于“安徽省加快災后水利薄弱環節建設實施方案”中排澇泵站建設內容，對保障區域居民及文化旅游區的財產安全和穩定健康意義重大。

本站為閘站結合式構造，進水流道前布設檢修閘及攔污柵，采用潛水式立式軸流泵、鐘型進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。本站設計排澇流量為17m3/s，設計裝機4臺1400ZDB-100A型潛水泵，配4臺YQGN990-16型電動機，單機容量為355kW，總裝機容量為1420kW，具有抽排功能。

根據GB 50265—2010《泵站設計規范》[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。天生湖一站設計運行特征水位詳見表1。

表1 天生湖一站設計運行特征水位 單位：m

2 三維數值計算

2.1 三維計算軟件

計算流體動力學(CFD)是一門預測流體流動、化學反應、傳熱傳質及相關物理現象的學科。將質量、動量、能量及組分質量守恒方程組離散為代數方程組，通過數值的方法求解代數方程組以獲得流場解，是模型試驗的有效補充，可以很大程度上縮短設計周期。

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

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，湍流模型為標準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。

2.3 邊界條件設置

(1)進口邊界條件

進口設置在進水延伸段的進口端面處(圖1)，采用質量流量進口條件。

圖1 出水流道進出口邊界及取壓位置圖

(2)出口邊界條件

出口設置在出水延伸段的出口端面處(圖2)，出口邊界采用環境壓力。

(3)壁面條件

壁面設置為絕熱、無滑移壁面；近壁區采用壁面函數處理，壁面粗糙度為25μm。

3 出水流道CFD優化計算

3.1 模型建立與網格劃分

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

圖2 計算域網格截面示意圖

3.2 方案設置

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

圖3 出水流道方案設置圖

表2 三種方案尺寸參數表

3.3 水力性能計算依據

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

(3)

式中，E1—進口總能量；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 計算結果與分析

4.1 計算結果

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

4.2 結果分析

從圖4中可以看出，當水流進入出水流道后，由于結構面積突然擴大，流線向四周擴散，產生近似閉環的渦管，隨著流道逐漸收縮整流，水流至出口位置時已較為均勻。三種方案流線的區別，主要體現在出水口左側區域，由于方案1的出水口左右兩側夾角均較小，可以為出水水流提供更大的空間，因此方案1流線發展最充分、線型最好；方案2和方案3的流線形態較比方案1差，說明出水口左側或右側夾角的增大，一定程度上擠壓了水流的發展空間，且方案3的流線略好于方案2，說明出水口左側空間的大小對流線形態影響更大。

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，水流流經泵時，流速達到最大，隨著水流向四周擴散，流速迅速減小，當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，局部結構不規則處和尺寸突變位置伴有壓力突變現象。

圖6 出水流道靜壓云圖

經監測出水流道進出口取壓位置的總壓，計算得出水流經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 結論

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

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

文章中CFD水利設計研究存在一定的不足，由于泵站受現場高程等因素限制，本次仿真計算未考慮出水流道高度的變化對內流場分布規律和水力損失的影響，值得進一步深入研究。