胥浦活水泵站肘形进水流道流态分析及优化

胥浦活水泵站肘形进水流道流态分析及优化

丁军1，丁庆朋2

(1. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州225127； 2. 仪征市水务局，江苏仪征211400)

摘要：胥浦活水泵站为一座长江边低扬程引水泵站，设计流量5.0 m`3/s，最大扬程3.3 m。为适应其低扬程、小流量的特点，选用了全贯流潜水泵，在原胥浦节制闸底板上改建安装。为了保证在长江低水位时，水泵进水口完全淹没，进水流道型线平顺，流道内无涡带或其他不良流态，机组启动正常和运行稳定，利用三维数值建模、边界条件设置与三维湍流流动模拟，运用计算流体动力学CFD方法，进行进水流道内部流动数值模拟，多方案分析和比较进水流道内部流态、水泵进水条件和流道的水力损失。计算结果表明，进口尺寸1.1 m×3.4 m(高×宽)，出口直径1.2 m的型线B方案进水条件好，流道水头损失小，满足水泵高效运行的要求。优化设计方案为泵站安全运行提供最优的设计进水流道型线和设计参数。

关键词：胥浦泵站； 三维数值模拟； CFD分析； 流态； 肘形进水流道型线； 设计优化

中图分类号：TV136`+.2

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2015)03-0088-07

Abstract：Xupu running water pumping station is a low head pumping station near the Yangtzi River， with a design discharge of 5 m`3/s and a maximum head of 3.3 m. Considering its characteristics of its low head and small discharge， the submersible tubular pump is selected in the practice. The pump is reconstructed and installed on the original Xupu regulating sluice soleplate. Its inlet conduit bottom board and the original sluice plate have the same elevation and the hydrological data are unchanged. It should be ensured that when the Yangtze River is at low water level, the water inlet conduit of the water pump is submerged fully and the inlet conduit line is plain sailing. No vortex or other undesirable flow patterns should occur in the flow conduit， and the unit should start normally and operate steadily. In this paper, by adopting three-dimensional numerical simulation， domain parameter setting and three-dimensional turbulent flow simulation,and using the computational fluid dynamics method CFD, numerical simulation of internal flow inlet channel is made and comparison of inlet conduit internal flow and pump flow conditions is carried out, and the hydraulic loss of the inlet conduit in various schemes is analyzed. The analysis results show that the line-type B (having inlet size of 1.1 m×3.4 m and outlet diameter of 1.2 m) is in good inflowing condition, having a small head loss, and meeting the requirements of high pumping efficiency. The results can be used as a reference for the optimal design of inlet type line and for the safe operation of the pumping station.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.014

收稿日期：2014-10-08

基金项目：国家创新研究群体科学基金资助项目(51321065)；水利工程仿真与安全国家重点实验室开放基金资助项目

作者简介：吕杨(1990—), 女， 天津人, 硕士研究生, 主要从事水工结构分析研究。E-mail: chloelv_tju@163.com

进水流道为泵站重要的组成部分之一，其水力特性对水泵性能有着直接影响。良好的进水条件可以使水泵装置达到好的运行状态，获得较高的效率[1]。泵站的进水流道形式应结合泵型、泵房布置、泵站扬程、进出水池水位变幅和断流方式等因数，经过技术经济比较确定[2]。重要的大型泵站还须经过数模和装置模型试验确定[3-4]。进水流道主要型式有肘形和钟形两种。 肘形流道逐渐收缩，流态好，水头损失小；钟形进水流道形状复杂、施工不便，对宽度要求严，设计不当易产生涡带。

胥浦活水泵站在原节制闸底板上改建安装，泵站设计流量小(Q=5 m3/s)，扬程低(最大扬程3.3 m)，采用了较优的肘形进水流道[5]。该泵站为长江边潮汐泵站，水位变幅大，在枯水季，长江水位较低，水泵进水口淹没不够充分，易造成水泵吸水困难，影响机组正常启动和稳定运行。因此需对肘形进水流道进行必要的水力设计优化，提高泵站运行的安全性和可靠性。

1泵型选择

胥浦泵站为低扬程、小流量泵站，立式泵在极低的设计扬程下水力损失大，效率低，电机功率大、运行费用高。贯流泵适用于低扬程，流道顺畅，水力损失小，装置效率高、安装方便，但电机在水下工作，密封止水要求高[6]。全贯流潜水电泵为机电一体化技术，既保持了潜水电泵结构紧凑、安装方便、噪声低、散热好等特点，又保持了贯流泵水力性能好、流道顺畅、装置效率高等特点，同时考虑到了泵站的其他缺点和复杂程度。其水泵叶轮安装在电机的转子内腔，转子变成水泵的叶轮，使电机无效部分变成工作部分，工作时水流从转子内腔流出。综合以上因数，选用了全贯流潜水电泵[7-8]。按照设计流量和扬程及相关技术参数，确定采用一台1400QGWZ-125型潜水电泵，泵体总长2.0 m， 转速n=365 r/min，叶轮直径1 200 mm，外形结构尺寸及工作性能曲线分别如图1与2所示。该泵的主要技术参数见表1。

图1　外形结构尺寸(单位： mm) Fig.1 External structure dimensions (unit： mm)

图2　水泵性能曲线 Fig.2 Pump characteristic curves

流量/(L·s-1)泵扬程/m叶片角度/(°)额定转速/(r·min-1)轴功率/kW泵效率/%配套电机叶轮直径/mm43884.38227.782.85YQSN1730-1649972.94-2365172.383.70(250kW,380V)Φ120052632.27143.381.69

2进水流道水力设计优化目标

进水流道水力设计要求：控制尺寸合理，流道型线平顺，流道内无涡带或其他不良流态；各断面面积沿程变化尽可能均匀，出口断面处的流速和压力比较均匀，为水泵提供良好的进水条件；流道的水力损失尽可能小；满足水工和建筑结构设计等方面的要求[9]。

(1) 轴向流速分布均匀度Vu[10]

(1)

(2)

(3)进水流道的水头损失进水流道的水力损失直接关系到水泵装置效率和泵站工程的经济效益，是评价进水流道水力设计的重要经济指标。在给定的进水流道主要控制尺寸前提下，通过优化设计和型线调整，尽量减少水头损失，提高水泵装置效率。

3进水流道优化设计数值计算

3.1控制方程组

若进水流道单独进行水力计算，可忽略进水流道与水泵过流部件之间的相互影响。对进水流道中的水流运动现象进行分析、概括、抽象和简化，并依据质量守恒、动量定律和能量守恒等基本原理，建立起水流运动数学模型。由于低扬程水泵装置中的水流速度很低，水的黏度和密度变化不大，可采用时均、不可压、黏性、恒定流动的Navier-Stokes方程，描述进水流道内部流动三维流场。采用工程应用最广泛的κ-ε湍流模型，封闭Navier-Stokes动量方程组, 参见文献[11]。

3.2计算区域及边界条件

3.2.1进水流场在进水流道三维湍流数值计算中，计算区域的进口设置在距离进水流道进口足够远的进水池中，按速度条件给出；出口设置在离进水流道出口足够远的地方，按出流条件给定，并假定计算域出口截面上流动方向的坐标是局部单向的，流动已充分发展。

进水池及进水流道等过流部件的边壁均按固壁处理，满足不滑移条件。而对于紧靠固壁处节点的湍流特性，则应用了对数式固壁函数处理，以减少近固壁区域的节点数。

图3　进水流道流场计算区域网络 Fig.3 Meshes of flow field calculation area in an inlet conduit

进水池表面为自由表面。本研究忽略自由水面风所引起的切应力及与大气层的热交换，自由水面的速度和湍动能均可按对称平面处理，紊动能耗散率则按计算单元的中心至自由表面的距离及该单元的紊动能量来确定。

3.2.2进水流道三维实体造型和网格剖分根据上述边界条件，采用商业软件Fluent中的前处理器Gambit，实现计算域三维实体造型和网格剖分，采用结构化与非结构化相结合的计算网格，结果见图3。

4进水流道水力设计优化

4.1水力设计优化方案

根据胥浦活水泵站水泵选型与站址实际情况，提出了多套比选方案，本文选用了典型的4套进水流道水力设计优化方案，并增加了长江低水位情况下引水的方案3和4。运用计算流体动力学CFD方法，进行进水流道内部流动数值模拟，分析和比较进水流道内部流态、水泵进水条件和流道的水力损失[12]。进水流道水力设计参数见表2。根据比选，拟采用方案1和2典型设计型线图、三维透视图(图4)。

表2　进水流道水力设计参数

图4　方案1和2进水流道单线图和透视图 Fig.4 Single-line drawing and perspective drawing of inlet conduit schemes 1 and 2

4.2内部流态分析

根据1400QGWZ-125型潜水泵性能曲线和泵站上下游水位组合，初估泵站引水流量范围。应用CFD计算流体力学软件，研究在长江常水位3.5 m和低水位2.5 m情况下进水流道内部流动特征，并根据数值计算结果，应用后处理软件，对海量数据进行后处理，得到进水流道内部流场图[13]。方案1和2内部流态相差不大，方案3和4内部流态相差也不大，所以只对方案2和4进行比较(见图5和6)。

图5　方案2和4进水流道设计方案内部流场比较 Fig.5 Comparisons between inlet conduit internal flow fields of schemes 2 and 4

图6　方案2和4水泵进口断面速度分布(单位：m/s) Fig.6 Velocity distribution of pump inlet cross-section for schemes 2 and 4 (unit：m/s)

从图5可见，方案2内流线与型线较贴近，内部流态也较优。从图6可见，进水流道设计方案不同，在水泵进口断面上的速度分布不同，对水泵的进水条件影响也不同。总的来看，水泵进口断面流速分布左右对称，上部流速低，下部流速稍高，符合该进水流道的设计特点，这主要是由于流道上下不对称、喉部水流受到压缩造成的。

4.3水泵进水条件比较

根据在相同流量情况下，不同进水流道内部流动的数值计算结果，从水泵进口断面轴向流速分布均匀率和偏流角2个方面，比较不同进水流道设计方案提供的水泵进水条件，借此评判进水流道设计方案的优劣[14]。

表3　水泵进水条件比较( Q=5.2 m 3/s)

从表3可见，在相同流量情况下，前两种进水流道设计方案的入泵水流轴向流速分布均匀度都达到了97.80%以上，最大偏流角没有超过2°，平均偏流角未超过1.50°，不同设计方案之间的差异很小，表明所有的进水流道水力设计方案都比较优秀，都能为水泵提供良好的进水条件；后两种进水流道设计方案，为了在水位很低时提高吸水能力，将进口压得很低，立面型线弯曲得很严重，影响到内部水流流态，对应的水泵进水轴向流速分布均匀度降至77.2%，偏流角最大值均超过4.2°，加权平均偏流角超过2.2°。分析表明前两种进水流道水力设计方案比较优秀，能为水泵提供良好的进水条件。

4.4水力损失比较

根据相同流量下进水流道内部流动数值计算结果，利用计算结点上的流动参数，运用伯努利方程计算出任意2个断面之间的水力损失[15]。经计算，Q=5.2 m3/s时，方案1~4的水力损失分别为0.074, 0.075, 0.120和0.122 m。可见，不同进水流道的水力损失相互之间差异不大，其水力损失的变化与设计方案密切相关。

方案1和2的立面型线不同，平面设计相同，内部流动水力损失仅相差1.0 mm，细微的水力损失变化与内部流态之间的差异相符合。

方案3和4与前2个方案相比，两者的流道进口宽度相同、长度相同，进口高度仅相差70 mm。由于方案3和4的出口直径减小为1 100 mm，故其平面收缩角从方案1的30°扩大到32°。对水力损失影响最大的设计参数——流道进口底板高程，从方案1的0.9 mm降低为方案3和4的0.8 m，相同流量下的水力损失增大幅度超过了60%。

进行不同流量下进水流道内部流动数值模拟，通过计算即可得到对应流量下的流道水力损失。方案1和2水力损失相差不大，方案3和4水力损失相差也不大，所以只对比进水流道设计方案2与4的水力损失随流量变化情况。经数值模拟得出，流量为5.20, 5.42, 5.75, 6.20 m3/s时，方案2的水力损失为0.074, 0.082, 0.089和0.110 m，方案4的水力损失为0.121, 0.135, 0.144和0.170 m。 可见，进水流道水力损失随流量增大而增大，其大小近似与流量的平方成正比；设计方案不同，其水力损失有明显差异。

5结语

在满足现有运行水位条件和原胥浦节制闸底板高程不变的情况下，结合所选潜水泵型，对流态进行分析及不同进水流道设计进行了优化，得出如下结论：

(1)方案1和2的水泵进水条件水泵轴向流速均匀度达到97.8%以上，最大偏流角小于2°，平均偏流角未超过1.5°，进水条件良好。

(2)在流道长度和立面型线几乎不变的情况下，在一定范围内增加或减小流道进口宽度，对流道水力损失和水泵进水条件影响较小。

(3)在立面型线几乎不变的情况下，增加流道长度和进口宽度，对水泵进水条件影响较小。

(4)方案3和4的水泵进水条件水泵轴向流速均匀度为77%左右，最大偏流角大于2°，平均偏流角超过1.5°，进水条件欠佳。

根据泵站运行特征水位和工程现状，综合评判进水流道内部流态、水泵进水条件和水力损失等3方面因数，胥浦泵站肘形进水流道采用方案2，该方案进水条件好，流道水头损失小，可满足水泵高效运行的要求。

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Flow pattern analysis and optimization of elbow inlet conduits of Xupu running water pumping station

DING Jun1, DING Qing-peng2

(1.JiangsuSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesCo.,Ltd.,Yangzhou225127,China； 2.WaterAuthorityinYizheng,Yizheng211400,China)

Key words： Xupu pumping station; three-dimensional numerical simulation; CFD analysis; flow pattern; elbow inlet conduits; optimal design

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通信作者：张社荣(E-mail: tjuzsr@126.com)