双向开敞式立式轴流泵装置数值模拟

王 丽 张跃飞 单陆丹

（江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223000）

双向开敞式立式轴流泵装置数值模拟

王 丽 张跃飞 单陆丹

（江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223000）

基于CFD技术，采用RNGk-ε湍流模型，对三干河开敞式立式轴流泵4个工况进行全流场数值模拟，选取工况2和工况3泵装置流线，叶片压力、流线、速度和矢量分布以及导叶片的速度矢量等进行分析，并将模拟计算结果与试验结果进行对比。结果表明，模拟结果与泵段和泵装置模型试验数据较为吻合，表明该泵满足运行要求。该研究成果对同类泵站的选型和设计具有重要参考价值。

立式轴流泵 双向 泵装置 数值模拟

1 泵站概况

张家港市三干河枢纽工程由节制闸和泵站两部分组成。泵站安装3套2200ZLB13.4-2开敞式立式轴流泵，配TL800/40同步电机。

泵站的下廊道为进水流道，上廊道为出水流道。流道两端分别设置2道闸门。泵虽是单向运转，但通过开闭4道闸门可以改变进出水方向进而实现水流的双向供水（排涝、灌溉）的运行目的。

2 泵站运行特征扬程和选型

张家港市三干河南延工程三干河枢纽工程泵站参数如表1所示。

表1 三干河南延工程三干河枢纽工程泵站特征扬程组合

根据与该泵站相似的海洋泾泵站装置试验结果进行选型，选型结果如图1所示。

图1 泵装置综合特性曲线（海洋泾模型）

结果可知，叶轮外径2200mm，转速150r/min，泵在0°运行，可以满足设计要求，此时模型装置效率为68%～70%。

3 模型的建立及边界条件

3.1计算模型和网格划分

此次模拟以开敞式立式轴流泵的进水流道、叶轮、导叶及出水流道作为研究对象，主要的性能参数如表2所示。

表2 各计算工况点参数

网格的划分对计算结果极为重要，网格的质量和疏密程度也会影响计算结果的准确性和可靠性。考虑整个装置的复杂性和计算机内存的要求，此次采用Tetra/Mixed网格，采用对复杂边界适应性较好的非结构化四面体网格对计算域进行网格划分，网格总数为3607792。

3.2控制方程及湍流模型

采用工程广泛应用的雷诺平均模型来描述泵装置内部流体的流动，本文采用RNG模型以便更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大流动。

RNG模型方程为：

3.3边界条件

以进水流道进口为泵装置进口边界，以质量流量为进口边界条件；以出水流道出口为泵装置出口边界，出口设置为自由出流；整个装置的固体壁面采用无滑移条件，湍流壁面采用壁面函数法处理。

4 数值分析和结果对比

为研究引水和排涝工况泵装置和泵流场状态，本文选取工况2和工况3的流场特征进行分析，如图2～5所示。

图2 泵装置流线分布

图3 叶轮工作面压力云图

图4 叶轮背面压力云图

图5 导叶区域速度矢量

图6H-Q曲线

图7 η-Q曲线

图2为泵装置流线分布情况，从图中可以看出，整个装置在出水流道和进水流道封闭侧产生较大的漩涡，流动十分紊乱。流体在进水流道后受叶轮的作用大部分液体直接通过叶轮、导叶进入出水流道；另一部分流体要到达进水流道封闭侧，再经过叶轮和导叶到达出水流道，这部分流体会在进水流道和出水流道封闭侧产生较大漩涡。

图3～4为叶轮区域的压力情况。由四幅图片可以看出，叶片工作面压力高于叶片背面，叶轮区域流线整体较顺畅；叶片进口边外缘有轻微冲击；叶片进口边外缘工作面和背面压差较大，导致叶片进口边外缘易发生汽蚀。

图5为导叶区域的流动情况。导叶片靠外缘部分流线顺畅，叶片出水边靠近轮毂处有不同程度的回流现象，液体运动速度方向发生了较大变化，导叶根部流动相对外缘较紊乱。

为说明CFD模拟结果准确性和可靠性，将4个工况的计算结果与选型结果进行比较，如图6～7所示。数值模拟结果基本上与根据泵段和泵装置模型试验数据选型结果相差不大，表明泵在运行中能满足设计要求。

5 结论

（1）本文对泵站的整个装置进行模拟，包括叶轮和导叶，相较不添加叶轮、导叶或假设叶轮和导叶的模拟更具真实性。

（2）由泵装置流线分布图可知，进、出水流道封闭侧的流动较为紊乱，这也是双向流道效率不高的重要原因。

（3）从模拟结果和泵段和泵装置模型试验数据来看两者相差较小，表明该泵满足运行要求■