一體化預制泵站的流體分析*

□ 楊 雷 □ 李方玉 □ 趙 江

上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 200072

1 分析背景

一體化預制泵站是替代傳統排水泵站的理想解決方案,屬于集成式一體化泵站。一體化預制泵站為交鑰匙工程,泵站的筒體采用加厚型機械纏繞玻璃鋼材質制成。一體化預制泵站以強大的流體提升和輸送能力,在城市水循環系統和正在興起的海綿城市工程中得到了廣泛應用[1]。一體化預制泵站避免了傳統泵站存在的一些缺點,并能為清水和污水提供足夠的勢能和壓能,因此具有很高的工程應用和研究價值[2]。作為一個復雜的流體動力系統,一體化預制泵站泵內不良流動會導致泵產生振動、氣蝕、噪聲,并且降低泵的能量性能。當一體化預制泵站應用于提升污水時,內部的介質為兩相甚至更多相流動,在筒體底部可能出現沉積現象[3-4]。若雜質進入輸送泵,則泵可能造成泵過流部件磨損。若泵流道設計不合理或泵運行參數不在理想范圍內,則泵流道內可能發生阻塞,嚴重威脅整個泵站的穩定性。通常采用數值模擬方法對一體化預制泵站內部流場進行計算流體動力學分析,從而判別筒體底部形狀設計的優劣。

針對一體化預制泵站筒體內部有污泥沉積,且在長期沉淀后導致硫化氫等有害氣體聚集,進而威脅到下井維護人員的人身安全問題,筆者對一體化預制泵站進行流體動力學仿真分析,研究在污水泵提升污水時運行流態是否穩定均勻,有無湍流或旋渦沉淀現象,從而盡可能避免中毒事件發生,同時也為企業提供筒體的設計參考。筆者以廣東某公司提供的LY-GRP一體化預制泵站為例,基于ANSYS軟件對一體化預制泵站進行流體仿真分析。該一體化預制泵站筒體直徑為3 500 mm,高為9 300 mm,結構如圖1所示。

2 理論分析

一體化預制泵站內部的流態優劣取決于污水泵進水口的入流條件。在污水泵提升污水時,應用計算流體動力學方法分析一體化預制泵站筒體內部的流場,以此來觀察泵站的運行流態。筆者采用國際上運用廣泛的ANSYS有限元分析軟件,對一體化預制泵站進行計算流體動力學仿真分析,過程主要包括三維造型、網格劃分、前處理、流場求解、后處理五個階段[5]。計算流體動力學仿真分析流程如圖2所示。

泵站內流體的流動遵循質量守恒、能量守恒、動量守恒定律,這些定律可以用相應的控制方程進行描述。筆者分析的泵站,內部流體流動為三維不可壓縮湍流流動。對于湍流,在工程上廣泛采用的方法是對瞬態納維-斯托克斯方程進行時均化,同時補充其它方程來反映湍流特性,組成封閉方程組后再進行求解[6-7]。分析時,采用RNGk-ε模型對湍流進行求解,這是對瞬態納維-斯托克斯方程進行重整化群數學方法推導出來的模型,精度較高,在流線曲率大、有旋渦及旋轉的葉輪機械內部流場中更加適用[8-10]。

3 仿真分析

采用SolidWorks三維軟件對一體化預制泵站過流區域進行三維模型建造,三維模型如圖3所示。

一體化預制泵站內的流體為連續流動的流體,直接求解泵站內連續流動的流體難度很大。因此,在使用計算流體動力學軟件對模型進行仿真之前,需要借助網格劃分將連續流動的流體離散化,并求解離散化方程組,這樣可以大大降低數值計算難度,并提高求解精度。在ANSYS軟件中對整個流體進行四面體非結構網格劃分,如圖4所示,并對泵出水管道葉輪區域進行局部加密。

采用ANSYS CFX流體分析及仿真軟件對一體化預制泵站內部流動進行計算流體動力學仿真分析。根據泵站內部流體流動的特點和對計算結果收斂性的預期,將泵站進口流速設置為恒定速度,將出口流速設置為自由流出,葉輪與靜止部件間的交界面設置為轉子凍結,其余固體壁面均設置為光滑無滑移壁面條件。同時開啟兩臺水泵進行計算流體動力學仿真分析,觀察流場分布。水泵啟動時的計算域如圖5所示。

筒體內部三維流場分布如圖6所示。通過泵站在啟動狀態下筒體內部三維流線及速度矢量分布,可以看出水流從泵站進口流入后,均勻流向水泵兩側,水泵吸入口的入流未出現明顯湍流現象,水泵吸入口附近流速較大,具備較強的抽吸力。

為了更仔細地觀察筒體底部流場,分別在筒體內部前后不同位置設置截面,查看流線和矢量分布。前后不同位置截面如圖7所示,從前往后依次為 Y1～Y4 截面。前后不同截面流線圖如圖8所示,速度矢量分布如圖9所示。

筒體內不同高度截面如圖10所示,從下往上依次為 Z1～Z4截面。查看不同高度截面上的流線及矢量分布,不同高度截面流線圖如圖11所示,不同高度截面速度矢量分布如圖12所示。

從圖11和圖12可以看出,泵站進口偏向于水泵吸入口一側的水流流速均勻,幾乎不存在湍流,可以為葉輪提供良好的入流條件,為機組高效穩定運行提供保障。泵入口附近流速較高,具有很強的抽吸力,有利于底部排污。

4 結束語

通過仿真分析發現,一體化預制泵站內部流動均勻,泵入流條件較好,未出現明顯的不良流動現象。底部流速較高,不會出現淤積危險,筒體形狀設計滿足要求,泵布置合理。建議運行時啟用兩臺泵,可使筒體內部流動狀態達到最佳,在最大程度上提高機組的運行效率和穩定性。