大型泵站雙向進水流道三維湍流數值分析

仲召偉，房 偉，胡林生，胡紅勝

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 引言

目前我國低揚程雙向泵站的建設越來越受到重視，大量學者針對該類型泵站的雙向運行需求，進行了以優化能量特性為目標的模型裝置試驗研究[1-4]。然而，這種流道設計也帶來了一些問題，如進水流道內容易形成渦帶，以及泵站設備的效率相對較低，需在進水流道內增設消渦防渦措施，并提高出水流道壓能恢復系數以降低水力損失。目前，采用湍流模型數值模擬泵裝置的內部流動并預測其水力性能成為一種有效的研究手段[5]。

以某大型泵站雙向進出水流道立式軸流泵裝置為研究對象，在前人模型試驗研究的基礎上，通過數值模擬的方法對該泵站泵裝置內部的三維湍流流動和水力性能進行分析，探究泵裝置內部的流場和水力性能，可為類似工程的優化設計提供一定參考。

1 泵裝置數值模擬

1.1 泵裝置及其三維建模

采用ProE 軟件完成雙向進水流道泵裝置實體模型構建，主要包括雙向進水流道、葉輪、導葉、雙向出水流道等，采用TurboGrid 軟件完成葉輪和導葉的造型，建模時葉片單邊間隙設置為0.20mm，圖1為泵裝置三維透視圖。

圖1 泵裝置三維透視圖

雙向進出水流道的結構比較簡單，采用混合網格和分塊網格技術進行剖分，對速度梯度大的區域進行網格適當加密，整體網格質量較好，滿足計算精度要求。

1.2 控制方程和湍流模型

泵葉輪內不流動時是三維非定常湍流流動，但是在水泵穩定運行（轉速恒定）后可以認為葉輪相對運動是定常的。泵內流動介質為水，可簡化為不可壓縮的牛頓流體，Z 軸為旋轉軸，可忽略重力的影響，體積力主要是離心力和科氏力，采用的控制方程為雷諾時均N-S 方程，湍流模型采用基于壁面律的RNGk-ε 模型，全隱式耦合算法。

在進水流道前加一進水段，水流進入時為充分發展的紊流，進口邊界設置在進口段的進口面，給定均勻軸向速度；為使水流充分發展，出口邊界設置在距出水流道出口足夠遠處，選用壓力出口，壓力大小由特征水位給定；在模型中固體壁面處設置無滑移條件；葉輪與進水流道及導葉之間存在流動干涉，采用“凍結轉子法”處理動靜耦合流動的參數傳遞[6]。

1.3 邊界條件

1.3.1 進口邊界

為了更好地模擬雙向泵裝置內部流動，在模型泵裝置進水流道前加一段進水段，水流進入進水流道時為充分發展的紊流，更接近實際的進口流場狀態。進口設置在進口段的進口面，依據相應體積流量給定均勻軸向速度。

1.3.2 出口邊界

出水流道出口同樣加一段出水池，并將計算流場出口設置在出水池中距出水流道出口足夠遠處，使水流充分發展，取壓力出口，壓力大小由特征水位給定。

1.3.3 壁面條件

泵裝置中的固體壁面包括進出水流道邊壁、葉輪和導葉外殼、輪轂及蝸殼出水室等，在固體壁面處設置無滑移條件。

1.3.4 交界面

混流泵葉輪與進水流道、葉輪與蝸殼出水室之間存在流動干涉，采用“凍結轉子法”處理葉輪與進水流道、蝸殼間動靜耦合流動的參數傳遞，認為蝸殼、進水流道及葉輪內部流動是相對定常的，在同一時間層被認為是相對獨立的系統。

1.3.5 自由表面

假設進水前池、出水池自由表面波動不大，且忽略大氣等外界因素的影響，采用對稱邊界條件。

2 計算結果與分析

本次計算的流量范圍為300～420L/s，共計算了5 個工況點。選取最優工況點（Q=325L/s），對“X 型”雙向泵裝置的內部流動進行分析，圖2 為各部分剖切面示意圖。

圖2 剖切斷面示意圖

2.1 進水流道水力性能分析

計算工況下泵站雙向進水流道內的流場分布情況見圖3。由流場圖可見，水流沿四周進入喇叭口，呈現出典型的喇叭管進水流態，喇叭口前部進入的水流流速大于兩側，而兩側的流速又大于后側。進水流道順水側流態平順對稱，無旋渦產生，但逆水側流速較小，具體表現為運動緩慢的回流區，靠近喇叭管的近壁處有旋渦產生，當旋渦強度增大到一定程度時，將變成渦帶，旋渦產生位置對稱，離葉輪進口較近，極易進入葉輪室進而引起水泵機組振動。最優工況下，進水流道水力損失為0.313m，水力損失數值相對較大。

圖3 進水流道速度等值線圖與速度矢量圖（Z=-0.30m）

2.2 出水流道水力性能分析

計算工況下泵站雙向出水流道內的流場見圖4。由流場圖可見，出水流道內流態紊亂，流速分布極其不均勻，且有旋渦產生，旋渦的產生會消耗部分能量，導致出水流道壓能恢復系數降低，水力損失顯著增加，進而降低裝置的水力性能。最優工況下，出水流道壓能恢復系數僅為92.47%，水力損失為0.994m，占整個裝置揚程的比例較大，約為20%，最終致使整個裝置水力性能較低。因出水流道內部存在嚴重的旋渦，回流等現象，導致現有紊流模型無法精確計算其水流流態及水力損失，此次數值模擬計算給出水流道水力損失值，僅供參考使用。

圖4 出水流道速度等值線圖與速度矢量圖（Z=0.50m）

2.3 葉輪室進水斷面水力性能分析

葉輪室進水斷面靜壓與軸向速度云圖見圖5，靜壓分布與軸向速度分布成對稱狀，但略有差別，進水流速分布不均勻致使葉輪3 張葉片表面靜壓分布不同，葉輪運行穩定性受到影響進而導致機組運行震動。在最優工況下，葉輪室進水斷面的軸向速度分布均勻度僅為66.81%，軸向流速分布均勻度較低，速度加權平均角度為88.52°，說明水流橫向速度分量相比軸向很小，絕對速度方向基本平行于泵軸線，對雙向進水流道進行優化顯得十分必要。

圖5 葉輪室進水斷面靜壓與軸向速度云圖

2.4 葉片表面壓力分布

葉輪表面靜壓分布圖見圖6。最優工況下3 張葉片正背面整體靜壓分布較均勻，但呈現一定的差異。受雙向進水流道影響，葉輪入口的流速分布出現不均勻，這種葉片壓力的不均勻分布可能導致水泵的工作揚程與其理論揚程有所偏差。因翼形繞流引起葉片正背面速度相差很大，導致葉片頭部壓力急劇下降，壓力面進口處出現低壓區，而吸力面進口處出現高壓區。

3 裝置外特性預測與試驗對比

通過三維湍流數值分析，研究了箱涵式雙向進水流道泵站的裝置特性，泵裝置的外特性（揚程、效率的變化關系）的計算結果見圖7。由圖可知，在泵的高效區數值分析與模型試驗結果一致性較好，在大流量時二者相差較大。

圖7 泵裝置揚程、效率曲線圖

4 結論

（1）運用CFD 商用軟件較好地模擬了大型泵站雙向進水流道內部的水流運動情況，分析泵裝置內部的流場和水力性能，可為類似工程優化設計提供一定的參考。

（2）計算結果表明，雙向泵站進水流道逆水側存在回流區，靠近喇叭管的近壁處有渦帶產生，極易被葉輪室吸入，加劇水泵機組震動；出水流道進水流速不均勻，流態紊亂，且有旋渦產生，水力損失顯著增大，進而降低了整個泵裝置性能。泵站設計時，應在進水流道內增設消渦防渦并采取提高出水流道壓能恢復系數，降低水力損失的有效措施■