大擴散角進水流道水力診斷及優化

黃 幸，翟禹鑫，王為術，郭嘉偉，甄 娟

(1.江西大唐國際撫州發電有限責任公司，江西 撫州 344000；2.華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450045)

0 前 言

火力發電廠循環水進水流道由引水段、前池、吸水室構成，將循環水由冷卻水塔引流至循環水泵進水口，并為循環水泵創造良好的進水條件。工程實踐研究表明，循環水流道吸水室水力渦流和偏流，吸水口水力不均、進水條件差，導致循環水泵振動和氣蝕破壞，危及電廠運行安全[1]。工程研究中常采用水力模型試驗和數值模擬技術驗證解決循環水流道循環水流道的水力問題。邱靜等[2]和林潔等[3]分別采用物理模型法對進水流道水流流態進行了試驗分析，并通過多種整流方案的對比分析，解決了電廠進水流道的實際工程問題。朱榮生等[4]通過CFD數值模擬分析了泵站出水流道的流場分布。Pullinger等[5]CFD研究了改善循環水流道內流動均勻性的方法，并與基于循環水流道1/10構建的風洞模型進行比較分析。Zhou等[6]采用標準k-ε湍流模型的數值模擬分析了循環流道進水池內的水流流態，評估了不同水池尺寸組合對流場的影響。董旭敏[7]采用數值模擬對簸箕形進水流道水力狀況進行了分析，并提出了優化的水力設計方案。王雪豐[8]和陸偉剛等[9]分別對取水泵站前池水流運動規律進行了CFD研究分析，并提出了改進整流方案。田明[10]和Chuang等[11]分別采用數值模擬方法對進水流道進行了整流設計改造，研究了整流措施的實際效用。聶小棋[12]和李禮[13]分別通過模型試驗法和數值模擬法對比分析了電站進水流道的流態分布，并其進行了整流優化。王暉等[14]和李鎖莊等[15]分別研究分析了國內電廠進水流道的普遍布置形式與前池的整流方法。陶東等[16]基于Realizablek-ε湍流模型對進水流道的水流流態進行數值模擬，經實測數據對比與模型驗證，Realizablek-ε湍流模型模擬精度高，可很好反映進水前池內流態分布。閆曉惠等[17]采用Realizablek-ε湍流模型結合VOF自由面追蹤技術對溢洪道流進行了數值模擬，并經Realizablek-ε湍流模型與標準k-ε湍流模型的結果分析比較，證明了Realizablek-ε湍流模型更為準確。張盟盟等[18]通過多種湍流模型對比研究，發現對于有障礙物的室內流場，Realizablek-ε模型可以準確預測流態分布。吳建等[19]通過對比Realizablek-ε模型及物理模型試驗結果，驗證了Realizablek-ε模型在多孔繞流模型的計算中具有更高的精度。以上研究為本文的數值模型與流道優化等研究提供了充實可靠的理論依據。

國內江西某電廠循環水系統投運以來，部分循環水泵頻繁出現振動，嚴重時發生水泵筒體螺栓斷裂、導軸承偏磨等現象，多次對循泵進行加固、檢修，改造效果表明循環泵振動未得到遏制。為掌握該進水流道水力特性，根治循環水泵振動問題，筆者查閱設計改造資料和現場勘測，采用數值模擬方法研究水泵振動受進水流道水力特性影響規律，為循環水泵振動問題解決優化提供參考。本次研究基于Realizablek-ε模型對進水流道流態進行數值計算，模型預測結果與實際觀測的流態整體趨勢一致，水泵周圍的沖擊水流分布與水泵的振動反饋保持一致。

1 數學模型

1.1 控制方程

數值模擬計算控制方程基于雷諾時均N-S方程，并采用Realizablek-ε模型使N-S方程得以封閉。Realizablek-ε模型包含更為準確的湍流粘度的替代公式，以及通過均方渦量脈動的精確方程推導出修正后的耗散率傳遞方程，并滿足雷諾應力中某些的數學約束，提供更加接近真實的湍流計算。以上控制方程為水流道的模擬計算提供更加準確的理論基礎。

(1)連續方程

(1)

式中，ui為i方向速度矢量；xi(i=1，2，3)為坐標軸。

(2)動量方程

(2)

式中，fi為沿i方向的質量力；ρ為液體的密度，kg/m3；p為壓強，Pa；v為水的運動粘性系數，m2/s；vi為渦粘性系數。

(3)湍動能方程

(3)

式中，μ為動力粘性系數，Pa·s；μt為湍流粘性系數，Pa·s；k為湍流動能，m2/s2;ε為湍流耗散率，m2/s3;Gk表示平均速度梯度產生的湍流動能;Gb是由浮力產生的湍流動能;YM表示可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散率的貢獻；Sk為定義的源項。

(4)耗散率輸送方程

(4)

(5)

式中，C2和C1ε為常量;σk和σε分別是k和ε的湍流普朗特數;Sε是定義的源項。

1.2 網格模型

該電廠配置兩座自然通風冷卻塔和兩條循環水流道，進水流道于兩冷卻塔之間將循環水引至同一座循環水泵泵房，兩條進水流道于泵房前各設有一個前池，每個前池后均分為3個吸水室，每個吸水室內各置有一個循環水泵。進水流道包括引水段、前池、吸水室3個部分，吸水室內置有循環水泵。根據循環水流道設計圖紙以及現場勘測數據，利用SpaceClaim三維建模軟件對循環水流道進行1∶1直接建模，混流泵部分由CFturbo專業葉輪及蝸殼設計軟件完成參數化建模。模型對實際循環水流道所有特征完全還原，計算區域包括由冷卻水塔下進水口至循環水泵出水口的循環水流道。循環水流道整體模型長為54.31 m，寬為40.46 m，高度為9.75 m；前池長為19.5 m，寬為7.48 m；前池進水口為兩個長5 m，寬4 m的矩形。吸水室入口頂部有遮流板，池底有微小凹凸臺面，吸水口為循環水泵喇叭口，喇叭口下方有三角形導流錐。如圖1所示，面對來流方向，循環水泵從左至右依次為A泵、B泵、C泵，吸水室命名同理。

圖1 循環水流道三維模型

循環水流道網格采用Fluent Meshing軟件繪制生成，循環水道整體模型網格如圖2所示，對循環水泵內及喇叭口處均設置網格局部加密，以用來捕捉更加復雜的湍流變化。對所有流體壁面設置邊界層加密，用以捕捉流體貼壁運動變化趨勢，循環水泵橫向截面網格如圖3所示。循環水流道遠壁面區采用六面體結構化網格，邊界以及流態劇烈變化處采用四面體非結構化網格，經網格無關性驗證，原設計模型及優化后模型總網格數均約為4×106個。

圖2 循環水流道整體網格

圖3 循環水泵橫向截面網格

1.3 邊界條件

進水口條件采用質量流量入口，質量流量根據電廠三泵全開的實際工況進行設置，循環泵出口條件采用質量流量出口，壁面設置采用標準壁面函數，根據循環水流道實際情況，進水口頂部與前池頂部均為開放空間，氣液交界面為自由液面。循環水泵內動葉處的流體域壁面采用旋轉參考系運動，旋轉速度根據水泵運行工況參數設置。

1.4 計算方法

模擬過程采用Fluent軟件進行計算，以有限體積法進行控制求解，模型采用VOF多相流模型以及Realizablek-ε模型，壓力速度耦合解法采用SIMPLE算法，迎風差分格式進行隱式求解。

2 模擬分析

2.1 整體流場分析

循環水流道不同淹深下速度矢量截面圖如圖4所示，特征截面取于淹深0.6、1.2、2 m處，該流層截面位于前池進水口中下部，為池底高流速區，水流沖擊變化大，能夠充分反映由前池到泵體喇叭口附近的水流水力特征以及水流形態。

由圖4可以看出，循環水經上段弧形引水流道流入前池，因上段弧形水流道角度近直角，導致流道內單側水流流速較高，且因前池長度過短以及流

圖4 進水流道水平截面速度矢量

入擴散角過大，無法對沖入流體進行足夠的緩沖，流體在前池內發展不充分、不均勻，存在偏流現象以及高流速區。進入吸水室的流體分布存在明顯偏差，大量流體流入進水池后貼壁流動，吸水室單側壁面水流速與水壓過大，臨近喇叭口處壁面流體脫壁流動形成旋流，進而導致循泵喇叭口周圍水力分布不均。喇叭口位于池底1 m處，由圖4c可知水流的偏流亦會影響泵體本身，淹深由深到淺，影響逐漸減小。

前池與吸水室縱向水流速度矢量截圖如圖5所示，由圖5a與圖5c可看出，因A、C流道處于兩側，且前池為不規范矩形導致前池有旋流，吸水室入口處水流縱向流態不均勻；由圖5b可看出，前池因進水口流速過大，存在向上的旋流。A、B、C吸水室內5 m以上均存在旋流，其原因是吸水室入口上部遮流板導致存在死水區。

圖5 各吸水室縱向截面速度矢量

2.2 喇叭口及泵體周圍水力分析

循環水泵附近水流態分布如圖6所示，A、B、C泵周圍水流態均存在水力不均的現象，其中A、C泵側尤為嚴重。循環水泵內水力狀況如圖7，泵內水流流態并無明顯差異。

圖7 循環水泵泵體橫向截面速度矢量(有泵)

由圖6可以看出，由于吸水室內水流未得到充

圖6 循環水泵泵體橫向截面速度矢量(無泵)

分發展擴散，流體貼壁流動導致A、C泵喇叭口附近水流存在較大流速差，兩側流體流態具有不對稱性，近循環水道中心側水流流速明顯過大而流態較復雜，遠側水流流速則相對平緩。循環水泵進水條件的優劣取決于喇叭口附近的流體流態，喇叭口附近水流流速差異過大，流態分布不均，流體對喇叭口的徑向作用力不均勻，導致水泵的進水條件較差。且此循環水泵僅在頂端與出水口有固定連接，喇叭口作為遠端受水流影響的應力對泵體穩定運行的影響頗大。其中，A泵側水流流態最不均勻，由下端開始的水力不均性流態近持續至泵體中部，A、C泵體上部流域中，近循環水道中心側水流流態較之遠側相對復雜，B泵體兩側流態相較均勻對稱。

泵體兩側流速分布如圖8所示，考慮了泵的不同淹深下的流體速度變化情況，并對相同淹深下兩側流體速度進行對比分析。數據分別取于泵體兩側的y向直線段，0 m處為吸水室池底，8 m為液面高度，數據方位描述采用面對來流方向。

圖8 循環水泵兩側速度曲線

如圖8a所示，A泵兩側流體速度差異較大，喇叭口高度處(1 m)速度差異明顯，直至筒體中部速度差異才有所減小。泵體右側流體流速于4 m處發生劇烈變化，其原因是前池進水口高度以及吸水室入口上部遮流板的限制影響，左側流體變化相較緩和。如圖8b，B泵兩側流體差異較小，尤其是近喇叭口高度處，兩側水流流速幾乎相等，但筒體中部兩側流體存在速度不對稱性，泵右側流速較高于左側。如圖8c，C泵兩側流體亦存在速度差異，與A泵流速分布趨勢總體相似，前池內的偏流現象是造成A、C泵兩側流體速度差異程度不同的主要原因。

綜上分析，前池過短、擴散角過大，無法緩和弧段進水流道的水流慣性離心力影響，流體無法得到充分發展而導致的水力不均性是產生流體偏流現象的主要原因，進而吸水室內流體分布不均乃至貼壁流動，而喇叭口及泵體周圍流態的均勻性是影響水泵運行工況的重要因素，循環水泵進水條件差，泵體受力不均則會導致泵體振動、勞損。

2.3 整流優化

2.3.1 整流方案

為解決循環水泵的進水條件不佳、運行不穩定等問題，需對前池流道采取整流優化，使水流自由沖擊的影響減小，強制改變水流流態，增加水流擴散分布，讓流體在進入吸水室前得到較好的流態分布。經過對比分析，最終方案為：在前池中部修筑3道導流板，導流板垂直布置于池底，板厚0.4 m，高為5.0 m，兩側導流板長為4.5 m，為最佳導流長度，過長或過短均會導致流體再次貼壁，導流板與出水口截面距離1.5 m，導流板對稱布置且最短距離相距2.6 m；中間導流板長4.0 m，以中心為原點逆時針旋轉5°，與出水口截面距離0.8 m，中板非對稱布置是因為沖入前池的流體受弧段流道的慣性離心力影響存在嚴重的偏流現象。優化方案前池模型俯視圖如圖9所示。

圖9 導流板俯視示意(前池)

2.3.2 結果分析

優化后的整體流場速度矢量分布如圖10所示，截面選取均與原設計流道結果保持一致。

由圖10可以看出，整流后的流場變化顯著，弧形引水段涌入的水流沖擊在前池內的導流板上，流體流態分布不再集中于前池中部，來流邊緣流體受導流板影響，加大了流入擴散角，使得原本撞擊吸水室室間墩柱才得以分流的流體，提前在前池內完成擴散分布，有效避免了前池內的流態不均問題傳遞至更為封閉的吸水室內，經擴散后的兩側流體于A、C吸水室進口中部流入，避免了吸水室內流體貼壁流動的惡劣流態；中部流體原受慣性離心力的影響，在過短的前池內發生偏流，乃至沖擊吸水室間墩柱，進而流體貼壁流動。導流板的微度傾斜布置阻止了這一流態問題的產生，使得中部流體于B吸水室正中部流入。三塊導流板經設計計算布置，引水段流入的循環水流量三等分匯入三個吸水室內，改變了原吸水室間流量不均的水力問題，使得各循環水泵工作工況趨于相同。相較于未整流前，雖然前池長度依然過短，但經導流板進一步導流后，流體于前池內得到了較好的擴散分布。

圖10 進水流道水平截面速度矢量

圖11為整流后縱向水流速度矢量分布。可以看出吸水室內下部水流流態分布均勻，流速穩定，并無漩渦；受到吸水室入口上部遮流板的阻流影響，上部流體流態呈現出縱向大漩渦的趨勢，不過流速很低且流域為死水區，對循環水泵以及喇叭口近無影響。前池部分流態相較復雜，流體受導流板影響，A、C泵側前池流態分布多于流體匯入的中部趨于穩定，受矩形前池的影響，前池邊緣存在死水區與漩渦。B泵前池縱向水流截面正位于中側導流板，受導流板影響，深水層流域的流速分布均勻，流態穩定；淺水層流域由于吸水室入口遮流板影響存在低速漩渦且為死水區，對吸水室內水流流態近無影響。

圖11 各吸水室縱向截面速度矢量

圖12為循環水泵泵體橫向截面速度矢量分布。可以看出，整流后循環水泵周圍流場相較原流道工況更加穩定，由于吸水室無貼壁高速流體，喇叭口流態相對更加均勻，兩側流速差異微小；泵體周圍流場受吸水口的影響均勻向下分布，泵頂淺水區為靜水區，對泵體影響甚小。由于未對循環水泵設計修改，泵內流場情況與原流道工況一致。

圖12 循環水泵泵體橫向截面速度矢量(無泵)

圖13為循環水泵兩側速度線。可以看出，由于吸水室內更為均勻的流態，且無貼壁高速流體，三泵的兩側流體流速在1 m(喇叭口處)流速差異很小，相較于原流道工況的巨大流速差異，水力環境有顯著改善。流速差異隨淹深逐漸變淺而增大，過了4 m處逐漸減小，此為前池過短且流體受引水段慣性離心力影響所致。

圖13 循環水泵兩側速度線

由以上結果分析可知，經整流優化方案后，原流道模型存在的水力問題得到了很好的解決，由前池不規范引發的流體流態不均得到了改善，流體經導流在前池內完成擴散，避免了原流道工況水流沖壁貼壁的流態問題；喇叭口附近流速分布更加均勻，流態更加穩定，循環水泵周圍流場得到顯著改善，循環水泵進水條件有了明顯優化。

3 結 論

通過對進水流道流體的模擬分析可以得到以下結論：

(1)針對循環水泵振動問題，采用CFD數值模擬對進水流道計算分析可以發現并解決其水力問題。通過建立精確的模型網格，采用更為真實的Realizablek-ε模型，研究分析進水流道的水力特性，并以此提出優化方案。

(2)原設計循環水流道前池為不規范矩形，擴散角過大且長度過短，流體無法得到充分發展擴散，流態存在嚴重偏流現象，吸水室內流體貼壁運動，造成喇叭口與泵體周遭水力不均，進水條件差且循環泵運行工況惡劣。

(3)針對水流偏流現象以及水力不均問題，采用在前池布置合適的導流板可削弱水流的高速偏流影響，引導水流擴散發展分布，避免了流體沖壁貼壁等水力問題，進水流道流態問題得到較好解決，并有效改善喇叭口進水條件與循環泵運行條件，解決了循環水泵振動的根源水力問題。