大型泵站装置系统的CFD并行计算及分析

李 娜，王 杰(. 中国灌溉排水发展中心，北京 00054；. 中国农业大学北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 00083)

泵站是水利工程最重要的组成部分之一[1]，我国现有450处大型排灌泵站，中小型排灌泵站更是得到广泛建设[2]。国内外关于泵站的研究已经取得了丰硕的成果。一般都是把进出水建筑物从泵站其他装置中分离出来作为单独的研究对象。泵站进出水流道方面[3-5]，国外最早可追溯于20世纪三四十年代，Kerr和Moyer对轴流泵进水池流态进行了研究；50年代，Iversow等对火电站大型泵站的进水池的漩涡运动进行了研究；七八十年代，各国学者采用湍流模型来研究流场内的流动；朱红耕等[6]对大型泵站肘形进水流道三维紊流仿真计算进行了研究；陆林广等人[7,8]采用数值模拟的方法研究了进水池的几个参数对其水力性能的影响及分析了不同进水池的内部流动情况。为流道水力设计优化和模型试验提供了依据。这样的研究与真实的流动存在一定的误差。在泵站的选型及设计中，还没有进行过全流道的CFD仿真计算及分析。对整个泵站系统进行数值模拟，能更为准确地分析出泵站系统内流场的情况，从而为提高泵站效率及机组的稳定运行提供一定的理论基础。

整个泵站装置系统进行模拟时所需要计算的网格数量十分巨大，采用CFD并行计算来进行模拟。并行计算分为本地并行计算及分布式并行计算。本地并行计算操作简单，易于实现，但受计算机本身硬件条件限制较大，对网格规模上千万的流场计算，将耗费较多时间。分布式并行能够调用的CPU数量以及内存都可增加，不受单一工作站硬件条件限制，可以使计算能力大大提高，减小计算时间。分布式并行计算需要涉及的如RSH、SSH等协议较多，不同工作站之间的数据交换依赖网卡绑定技术，并依赖于交换机类型，所需要解决的外在计算机问题较多。在此背景基础上，本文建立了实际尺寸三维流道模型，通过ICEM CFD对全流道进行网格计算划分，利用ANSYS CFX实现了泵站装置系统全流道的并行计算，并分析了计算结果。

1 CFD计算模型简介

本文以某大型泵站为研究对象，计算模型为整个泵站装置系统，其中包括前池、进水池、进水管路、水泵、阀门、出水压力管、出水池等。进水池设计水位19.50 m，出水池设计水位69.70 m，设计静扬程50.2 m，设计流量30 m3/s。安装水泵机组5台(设计4工1备)，主水泵为单级双吸离心泵，进口直径1 000 mm，出口直径900 mm，单泵设计流量3.75 m3/s，设计扬程53.2 m，转速594 r/min。

1.1 三维模型建立

利用NX UG对泵站系统建立三维物理建模。泵站装置系统包括前池进水池、泵进水管、水泵吸水室、水泵叶轮、水泵压水室、泵出水管、压力水箱、爬山管、出水池。

1.2 网格划分

利用ANSYS ICEM CFD对泵站全流场进行网格划分，对泵站装置系统采用四面体非结构网格划分。网格划分结果如表1所示。

表1 网格划分结果 个

1.3 数值计算基本设置

利用ANSYS CFX进行泵站系统全流道CFD计算，流场为泵站装置系统全流道，流场进口给定进口流量，流场出口给定出口静压0，水泵叶轮流域与水泵吸水室压水室相接部分定义为固定-旋转交界面。进水池与出水池池顶定义为对称边界，其余为无滑移壁面。以4台泵并联运行为例，进口流量7 500 kg/s，旋转域转速594 r/min。选用k-ε湍流模型进行模拟。

本文使用戴尔PRECISION T5610工作站进行计算，CPU为英特尔至强系列E5-2630 v2，采用本地并行计算。

2 模拟计算结果及分析

2.1 并行计算效率比较

并行加速比S与并行效率E为并行计算效率的评价标准。

若串行处理(单CPU)时计算所用时间为t0，并行处理时计算所用时间为tn，并行采用的CPU数量为N。

则并行加速比S=t0/tn，在理想状态下S=N，并行效率E=t0/(Ntn)=S/N。

以4台泵并联运行为运行工况，以12核CPU、10核CPU、8核CPU、6核CPU、4核CPU分别计算，进行2 000步计算，以10核为例，计算时CPU占用率及所用时间如表2所示。

表2 并行计算相关数据

以4核CPU计算所用时间为计算基准得表3所示并行加速比与并行效率。

表3 并行加速比与并行效率

由表3可知，在8核CPU参与计算时，得到最高并行效率，此时计算机综合性能发挥最佳。

2.2 水泵外特性分析

对4台泵并联运行至1台泵单独运行的情况分别进行相关数据的计算采集，以4台泵并联运行为例(见表4、图1)，单泵模拟计算结果：扬程56.915 m，流量3 750 kg/s，效率90.5%。

表4 水泵扬程、流量、装置效率

对同一组运行时多台并联运行的水泵进行横向比较，以4台与3台泵并联为例，见图1。

图1 泵站装置系统模拟水泵扬程流量关系

根据上述水泵扬程、流量的横向对比关系图，得到：①泵站装置系统模拟运行情况下所得水泵扬程，均大于单泵模拟情况下水泵扬程，最大差值为0.415，且相对差值<1%；②由4台泵并联运行流量扬程关系图以及3台泵并联运行流量扬程关系图可知，流量关于进水池中轴线3号泵对称分布，相应水泵扬程也对称分布。

2.3 水泵内特性分析

水泵流线图、速度、压力分布如图2所示。图2展示了水泵工作时内部流动中的流线及速度和压力分布。从图2(a)观察可得，水泵在设计工况下流线均匀，无明显漩涡。从图2(b)及图2(c)观察可得，水泵叶片周围速度及压力分布均匀，但隔舌部分有明显的高压区。水泵整体运行情况良好。

图2 水泵流线、速度及压力分布

2.4 进水池流态分析

进水池高度为8 100 mm，以进水池池顶为基面，作水平截面。在吸入口面所在位置及其上下作参考截面，取距池顶深度4 000、6 000、7 050、7 550 mm作水平截面。以池顶为基面，所做截面的流态流线图如图3所示。

图3 进水池水平截面流线

图3展示了进水池由高到低5个水平截面中，水流的流动方向与流动状态。由从图3(a)到图3(d)的顺序观察可得，与进水管水流流动方向相同的区域越来越大，回流区越来越小。深度4 000 mm，位于进水管中轴线上，沿进水流动方向区域变大，在入口来流的两侧，水流受到回流区水流影响，偏离来流方向；深度6 000 mm，在进水管以下，沿进水管进水流动方向流动区域明显增大，且与回流区域的交界面产生了明显的横向流动，可看见明显的分界面；深度7 050 mm，与水泵进水管进水面在一个平面中，沿进水管来流方向区域变的更大，且流动状态较为均匀；深度7 550 mm，靠近池底，深度深于水泵进水管入水面，除了在没有进水管进水流动位置处产生碰壁回流外，所有流动方向都与进水管来流方向一致。

由于进水池出口面面积与其他固壁边界面积相比很小，所以大部分在水泵进水管入口面以上的水流由于碰到进水池墙壁而反弹回流，与向邻近的水流相互影响，在回流区域进水管进水区相遇，有明显的流向偏转，在回流区域与进水池靠近底部流入水泵进水管入口的水流相遇，产生明显漩涡。

对4台泵并联运行至1台泵单独运行情况下，同一高度截面处的进水池流态进行横向对比。选取参考截面距池顶深度为7 050 mm，与水泵进水管入口的深度相同。

由图4可知：在1台泵单独运行的情况下，除了水泵进水管入口处附近流动方向朝向水泵外，其余区域全为回流区，在进水池相邻的隔墩附近，产生明显反弹与回流；从2台泵并联运行到4台泵并联运行，随着运行泵数量的增多主流区面积越来越大，水泵进水管附近流态逐渐变好，漩涡与回流减少。

综上所述，根据水泵开机数量等具体工况的不同，进水池内部流态发生有规律、渐变性的改变。参与运行的泵数量越多，回流面积越小，主流区面积越大，进水池内漩涡绕流越少，流动状态越均匀。

3 结 语

泵站装置系统模拟与各装置单独模拟结果存在差异，泵站装置系统模拟更接近实际流动。在泵站装置系统模拟中，水泵与进水池相对位置不同时，流量、扬程与效率不同，相对差值在1%以内。由流动分析可知，进水池存在大面积回流区域，开机水泵数量越多，进水流量越大，回流区面积越小；水深越深，越接近水泵进水管进水面，回流区面积越小。进水池的流动不良状态会导致水泵进水管进口速度分布不均。

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图4 7 050 mm深度截面流态

[1] 陈 坚. 对新时期我国泵站工程某些问题的再认识[J]. 中国农村水利水电, 2004,(4):71-72.

[2] 王福军. 水泵与水泵站[M]. 北京 中国农业出版社, 2005.

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[6] 朱红耕, 袁寿其. 大型泵站肘形进水流道三维紊流仿真计算[J], 中国农村水利水电, 2005,(4):42-43.

[7] 陆林广, 曹志高, 周济人. 开敞式进水池优化水力设计[J]. 排灌机械学报, 1997, (4):15-19.

[8] 陆林广, 刘成云, 陈玉明. 泵站进水流道的两种基本流态[J]. 水泵技术, 1997,(4):25-28.