仪征市塘田灌区宣云站进水池吸水管口安装与淹没深度CFD应用研究

俞龙祥

（扬州市勘测设计研究院有限公司 扬州 225000）

1 工程概况

仪征市宣云站位于江苏省仪征市陈集镇，是一座梯级提水泵站，系仪征市塘田灌区的二级站。该泵站设计流量为 3.5m3/s，安装 2台500HW-7卧式混流泵和3台650HW-7卧式混流泵，其中一台备用。该站吸水管进水口拟选用平管口、直管口、竖管口3种安装方式中的一种，其安装方式参见图1、图2、图3。

图1 平管口安装示意图

图2 直管口安装示意图

图3 竖管口安装示意图

2 研究目的

水泵从进水池中吸水，需合理确定水泵吸水管的管口安装方式、淹没深度和悬空高度，使吸水管内部有良好的流态，为水泵提供较好的进水条件，从而充分发挥水泵本身装置的能量性能和汽蚀性能，保证水泵装置安全、高效和经济地运行。如何保证水泵的进水条件，提高泵站的运行效能，水泵吸水管的内部流态是应考虑的关键因素，这也是对进水池及吸水管进行CFD研究的目的所在。

3 进水池及吸水管CFD计算数学模型

3.1 进水池及吸水管三维立体造型和网格剖分

采用商业软件 FLUET中的前处理器 Gambit和大型工业三维造型软件Pr o/E，建立进水池及吸水管三维立体造型和网格剖分，并采用非结构化网格剖分计算域。

3.2 边界条件的确定

进口边界取在距离吸水管道进口足够远的进水池中；出口边界取在靠近水泵进口的吸水管水平段上，假定计算域出口截面上流动方向的坐标是局部单向的，下游流动不再对上游产生任何影响；进水池边壁、吸水管管壁均按固壁处理，满足无滑移条件，采用标准壁面函数法处理近壁区的紊流流动；由于进水池内的流速不大,采用静水压力假定,自由表面简化为对称平面处理。

针对宣云站的实际情况，为便于计算，确定其计算简图如图4。

图4 宣云站进水池与吸水管布置简化计算图

3.3 建立和求解控制方程组

由于进水池及吸水管中的水流速度很低，水的黏度和密度变化不大，可近似为不可压缩，采用时均、不可压、黏性、恒定流动的Navier-St okes方程，描述进水池及吸水管中的内部流动三维流场。

3.3.1 连续性方程

假定进水池及吸水管中恒定、不可压流动，建立连续性方程：

式中，u，v，w为速度矢量 U在 x，y，z3个坐标上的投影。

3.3.2 动量方程

在水泵装置进、出水建筑物和水泵内部流动的水流属于紊流，采用如下方法确定动量方程。

（1）将非稳态的控制方程对时间作平均处理；

（2）引进Boussinesq涡黏性假设，即用一个假想的黏性系数和平均的速度梯度来计算雷诺应力，从而将雷诺应力的封闭问题转化为涡黏性的求解。

对于恒定、不可压流动，动量方程可写成下列形式：

采用时均不可压全三维 N-S方程描述进水池及吸水管内部的三维流动，其质量守衡方程和动量方程可写成下列形式：

3.3.3 确定紊流模型

采用 κε- 紊流模型封闭动量方程组，进行数值计算。如下式：

其中， p r为紊动能生成率，

3.3.4 控制方程的离散与求解

采用控制体积法对控制方程进行离散，压力项采用标准格式进行离散，动量、紊动能及紊动能耗散率均采用二阶迎风格式进行离散。采用速度和压力修正协调一致的 SIMPLEC 算法，分离式求解控制方程离散后各变量的代数方程组。

4 各管口安装方式下的流动参数分析

针对悬空高h1分别为0.6m和0.8m的工况，运用CFD理论中的有关公式进行计算，得出平管口、直管口、竖管口的纵剖面流速图和吸水管在比较断面上的轴向流速等有关数据，对其进行整理后，形成了表1、表2。

表1 平管口、直管口和竖管口安装方式下流动参数（h1=0.6m）

表2 平管口、直管口和竖管口安装方式下流动参数（h1=0.8m）

4.1 悬空高h1=0.6m时的流动参数比较分析

表1表明，平管口与直管口安装方式在0.6m悬空高情况下，直管口安装方式具有较好的内部流态，横向流速较小，有较好的吸水能力和较小的水力损失。

直管口与竖管口安装方式相比，在竖管口安装方式下，比较断面上的轴向流速分布均匀度略好，吸水能力稍小，但单位质量时的水力损失较小。

而相对平管口而言，竖管口安装方式具有较好的内部流态，横向流速较小，有较好的吸水能力和较小的单位水力损失。但需要注意的是，在进水池水深一定的情况下，吸水管口悬空高与淹没深互相牵制，即悬空高增加，淹没深减小，反之亦然。竖管口上缘的淹没深度为0.91m，比平管口减小了0.49m，因此，还应考虑可能引起的水面涡对吸水性能的影响。

4.2 悬空高h1=0.8m时的流动参数比较分析

表2中的数据显示，悬空高度h1从0.6m提高至 0.8m时，平管口与直管口的比较断面的轴向流速分布均匀度均有所下降，偏流角有所增大，平管口的流速分布均匀度下降稍大，但直管口安装方式下吸水管内具有较好的内部流态，吸水能力超过平管口安装方式下的3.16%。

悬空高度h1从0.6m增加至0.8m后，平管口比较断面的轴向流速分布均匀度稍微增加，水力损失有所减小，变化幅度均有限；竖管口轴向流速分布均匀度略微减少，水力损失有所增加，已反超相同悬空高平管口的水力损失。从水力损失角度看，增加悬空高对管口安装方式不利，而竖管口上缘的淹没水深约为1.0倍吸水管直径，接近正常设计情况下的临界值，因此，没有必要再继续增加悬空高，做进一步吸水性能差异研究。

5 结论

通过对平管口、直管口和竖管口等三种吸水管口安装方式下的进水池与吸水管的流态、速度分布、水力损失等技术指标进行比较，可得出如下结论：

（1）在相同的进水条件下，直管口管口进水流态最好，几乎没有脱流，平管口和竖管口进水流态较差，进口有脱流和明显的低速区；

（2）在相同的进水条件和不同的淹没深度或悬空高情况下，竖管口有较强的吸水能力，直管口的吸水能力次之，平管口的吸水能力最弱。就单位质量水力损失而言，直管口和竖管口安装方式有一定的优势。

（3）在相同的进水条件下，平管口、直管口和竖管口三种安装方式，比较断面的轴向流速分布均匀度都比较高，横向流速较小。

综合进水池和吸水管的进水条件、内部流态、比较断面的流速分布、吸水管路的水力损失等因素，确定仪征市塘田灌区宣云站吸水管口安装方式采用直管口安装方式，悬空高取值0.8m，这样既能保证水泵吸水管有较好的进水流态和吸水能力、较均匀的速度分布，又能以较小的吸水管路水力损失，为水泵提供良好的进水条件，发挥正常的能量特性和汽蚀特性，从而有效提高宣云站的经济效益和工程效益。

6 建议

目前CFD数值分析在工程领域方面的应用已经开展，但在水利工程或灌区改造项目中实际应用还较少。因此，本文对泵站进水管口选择的研究，是在这方面进行的有益尝试，但是，相关的应用研究还有很大的拓展空间，值得作进一步地应用研究。

1 仪征市水务局.仪征市塘田灌区改造工程可行性研究报告.

2 扬州大学、仪征市水务局.宣云站吸水管口安装方式研究报告.

3 刘超.水泵及水泵站[M].北京：科学技术文献出版社，2003：144-150.

4 成立,刘超,薛坚. 泵站进出水流道优化设计目标函数研究[J].水泵技术,2007(3)：39-42.