基于FLUENT的泵站進水管路水力特性研究

高余鑫，高傳昌，孫龍月

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

泵站進水管路是將進水池中的水流平順地引向水泵進口，進水管路布設不合理，不僅會產生不良的水流流態，而且會造成較大的能量損失，影響水泵的正常、安全工作，嚴重時甚至引起水泵汽蝕，機組振動而無法工作。正確設計和布置泵站進水管路是保證進水管路中水流平穩和水泵進水流態良好的重要工作之一。

針對泵站的水力特性，國內外學者進行了大量的研究，其中：史志鵬結合泵站設計規范，進行了以節能為目標的泵站進水池體形優化設計研究，通過數值模擬方法確定泵站進水池的有效尺寸。郁片紅針對張華浜泵站流道存在回流、漩渦等不良流態的問題，采用CFD軟件分析了前池水流流態提出優化泵站進水流道整流方案。車曉紅基于CFX軟件對進、出水流道內水流流態進行數值模擬研究，提出了所選泵站流道的最優設計方案。趙智磊通過對泵站進水河道中心線和泵站進水池中心軸線的不同夾角方案進行數值模擬，得到整體河道流態和壓力前池流態最優的設計方案。謝華通過流道水力損失、出口斷面的流速均勻度和加權平均角等參數的比選，得到肘形進水流道最優的設計方案。仇春光結合實際工程研究了吸水管后壁距對改善進水池流態、減小水頭損失的效果，研究結果表明：縮小后壁距能改善進水池的水流條件。王梅仙等通過研究發現泵站進出水池體形的優化設計關系到泵站裝置效率的提高。陸林廣等采用數值模擬方法，對大型泵站不同形式進、出水流道水力性能進行對比研究，得到流道的優化水力設計的相關準則。由此可見，國內外學者主要對泵站進出水池、進出水流道的水流流態、整流措施和體形水力優化設計等方面進行了研究，但對于泵站進水管路的水力特性研究甚少。因此，根據黃河下游某一提水灌溉泵站進水管路布置不合理進行技術改造和優化，選取優化前后兩種進水管路裝置進行水力特性的數值計算。

1 數值計算

1.1 模型參數及幾何建模

選擇黃河下游某一提水灌溉泵站的進水管路，用Pointwise軟件進行原型實體建模。由于進水管路布置的不合理，尤其當泵站機組單泵運行時，進水管路中的流態惡化程度最明顯，所以文章選擇優化前、后進水管路單泵機組運行工況進行數值計算。計算區域示意圖見圖1。

圖1 計算區域示意圖

1.2 網格劃分及邊界條件設置

為了避免計算結果失真，文章借助Pointwise軟件對原型進行網格剖分。網格全部為六面體的結構網格，同時還對流動影響較大近壁處網格進行了局部加密。為了使網格數目對計算結果不產生影響，進行了網格數目的無關性分析，得到最終網格數目為946萬。

計算采用定常的Standardk-ε模型，算法采用SIMPLEC算法，進口設置為速度進口條件，出口設置為壓力出口條件，計算區域的固壁均設置為壁面邊界條件，由于前池和進水池的水面很平穩，故也將自由水面設置為壁面邊界條件，壁面均采取適應性更強的可伸縮壁面函數處理，壁面不可滑動。

1.3 計算方案

計算選取3種不同水泵流量(最大：0.97 m3/s；設計：0.88 m3/s；最小：0.83 m3/s)，對優化前后的進水管路3個斷面A-A～C-C(如圖3所示)的流場分布、進水管出口(水泵進口)斷面(C-C)的速度分布均勻度、進水管路的水力損失和渦量分布及渦量值進行數值計算。選取斷面示意圖如圖2所示。

圖2 網格剖分結果圖

2 計算結果與分析

2.1 截面流場分析

運用Tecplot軟件，分別就3種水泵流量下的進水管路不同斷面流場分布數值模擬結果進行處理，得到圖3～5三個斷面(A-A～C-C)優化前后的速度云圖和流線圖。

圖3 流量0.97 m3/s流場流速云圖和流線圖

圖4 流量0.88 m3/s流場流速云圖和流線圖

圖5 流量0.83 m3/s流場流速云圖和流線圖

如上圖所示，圖中(a)～(c)為進水管路優化前斷面的流速云圖和流線圖；圖(d)～(f)為進水管路優化后斷面的流速云圖和流線圖。

由流場斷面的流速云圖和流線圖可以得出：在不同的水泵流量下，優化前進水管路斷面的平均流速范圍為4.94～2.94 m/s，超出了泵站設計規范的要求；優化后進水管路斷面平均流速范圍為1.93～1.65 m/s，優化效果明顯并且優化后斷面平均流速滿足規范要求。優化前后A-A斷面的流線分布趨勢基本相同，斷面流速范圍隨著流量的降低而降低。優化前B-B截面不產生漩渦；優化后該截面在左右邊壁處出現漩渦，分析其原因可能是水流流態發展不充分的原因，并且漩渦強度基本不隨流量的變化而改變，漩渦數量和漩渦強度與水泵流量的關系不大。優化前C-C斷面，漩渦數量為4，漩渦強度隨著水泵流量的變化而變化，數量保持不變，流量為0.88 m3/s時，漩渦強度最小但漩渦最大，流速最大區域位于中軸附近區域；優化后E-E斷面漩渦消失，流速最大區域位于左右側下部邊壁處。

2.2 進水管路出口流速分布均勻度分析

為了將進水管路優化前后對水流流態的改善程度定量地表達出來，文章選擇進水管路出口(水泵進口)的流速均勻度作為水力目標函數。流速分布均勻度Vu越高表明出口截面流速分布均勻性越好，Vu=100%為理想值。流速均勻度Vu的計算，如公式1所示。

(1)

不同流量下，進水管路優化前后出口的流速分布均勻度，如圖6所示。

圖6 進水管路出口流速分布均勻度圖

由圖6可以看出：不同流量下，優化前管路出口的流速均勻度分別為88.06%、87.79%、88.19%；優化后管路出口的流速均勻度分別為92.80%、92.23%、92.36%；優化后出口截面的流速均勻度分別提升了4.74%、4.44%、4.17%，提升效果明顯，出口截面水流流態更良好。

2.3 進水管路水力損失分析

管路進出口水力損失越小，表明管路內水流流態更好。管路水力損失Hf由管路進出口的位置水頭、壓力水頭和流速水頭的差值計算而來。其計算公式，如公式2所示。

(2)

不同流量下，進水管路優化前后的水力損失，見圖7。不同流量下，優化前進水管路水力損失分別為0.21 m、0.23 m、0.28 m；優化后進水管路水力損失分別為0.04 m、0.05 m、0.06 m；優化后使得進水管路水力損失分別降低了79.00%、78.40%、79.60%，進水管路水力損失顯著降低。

圖7 進水管路水力損失圖

2.4 進水管路渦量分析

為了能夠定量地將漩渦強度表達出來，引入物理量渦量Q，Q被定義為流體運動速度的旋度，流場中渦旋處渦量的絕對值最大，正負與其旋向有關，順時針轉動時渦量為負值，逆時針轉動時渦量為正值。渦量的計算公式見式(3)。

(3)

式中：u、v、w分別為x、y、z方向的速度。

進水管路渦量分布

運用CFD-Post軟件對數值模擬數據進行處理，得到進水管路渦量分布圖，如圖8所示。

圖8 進水管路渦量分布圖

如上圖所示，(a)～(c)為優化前進水管路渦量分布圖，(d)～(f)為優化前進水管路渦量分布圖。在不同流量下，優化前管路大部分的區域的渦量值在-3 000 s-2～3 000 s-2范圍內，渦量最大區域位于偏心漸縮管和偏心漸擴管截面附近；優化后管路大部分的區域的渦量值在-1 500 s-2～1 500 s-2范圍內，渦量最大區域位于偏心漸擴管截面附近；優化后進水管路渦量值顯著降低。

進水管路最大渦量值

通過對數值計算數據的處理，得到進水管路的逆時針轉動和順時針轉動的最大渦量，如圖9所示。

圖9 進水管路最大渦量圖

由圖9可知：在不同流量下，優化前最大渦量隨流量的增大基本呈線性上升，優化后最大渦量隨流量增大而增加的幅度有所減弱，這說明進水管路優化后能更好地適應水流的要求。優化后，無論逆時針轉動還是順時針轉動，最大渦量降低幅度很大，優化效果明顯，進水管路水流流態更加良好。

3 結語

文章對某灌溉泵站優化前后的進水管路水力特性進行了數值模擬，得到了在不同流量下，進水管路優化后的平均流速在1.65～1.93 m/s；進水管路水力損失分別降低了79.00%、78.40%、79.60%；進水管路的逆時針轉動和順時針轉動的最大渦量值顯著降低，渦量分布范圍更小，分布更加均勻；進水管路出口(水泵進口)截面上流速分布均勻度分別提高了4.74%、4.44%、4.17%。優化后的進水管路水流流態平穩，進水管路出口流速分布均勻，進水管路平均流速滿足泵站規范要求。

通過去年12月對前期改造機組的試運行，通過機組運行得到實測數據，在輸水流量不變的情況下，每臺機組有功功率平均降低35 kW/h，達到了預期目標，經濟效益顯著，投入產出比明顯。