某泵站不同叶轮直径进水流道方案的数值计算

2017-04-17黄金军陈阿萍刘荣华黄燕华李江

治淮 2017年2期

关键词：水力叶轮结构化

黄金军陈阿萍刘荣华黄燕华李江

（1.常州市水利规划设计院常州2130002.常州市城市防洪工程管理处常州213000 3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司淮安223005）

某泵站不同叶轮直径进水流道方案的数值计算

黄金军1陈阿萍2刘荣华3黄燕华1李江1

（1.常州市水利规划设计院常州2130002.常州市城市防洪工程管理处常州213000 3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司淮安223005）

采用数值计算的方法，利用Fluent流体力学分析软件研究了某大型低扬程立式泵站不同叶轮直径进水流道的基本流态，并将流道的水力损失进行了比较。结果表明：适当增加叶轮直径，可以明显减少进水流道损失，从而提升泵站的装置效率。

进水流道基本流态水力损失比较

1 引言

进水流道是泵装置的一个重要组成部分，进水流道的水力性能对泵站的装置效率有着重要的影响，对于低扬程泵站尤为重要，本文借用某大型低扬程立式泵站H站的有关参数，采用数值模拟方法，利用Fluent流体力学分析软件对不同叶轮直径进水流道的水力性能进行研究，对泵站水泵选型提供重要的参考依据。

2 关于进水流道

与低扬程立式泵配套使用的进水流道一般有肘形、钟形和簸箕形等形式。肘形进水流道在国内应用最为广泛，在前苏联、日本等国也有较多的应用；钟形进水流道在国内有一些应用，在日本的应用较多；簸箕形进水流道在国内应用较少，在荷兰等欧洲国家应用较多。

国家标准《泵站设计规范》（GB/T 50265-97）推荐大型泵站立式泵机组采用肘形进水流道，如当受地基条件限制不宜深挖方时，可采用钟形进水流道。

本文研究选择水力性能最好、应用最为广泛的肘形进水流道为对象，研究叶轮直径对进水流道水力损失的影响。

3 肘形进水流道计算方案

本文借用H泵站的有关参数，确定了水泵叶轮直径为D=3.0m、D=3.4m和D=3.6m3个研究方案，分别对与这3个叶轮直径的水泵相配套的肘形进水流道方案进行了优化水力计算。这3个肘形进水流道方案的控制尺寸相同，但流道出口段的几何形状根据水泵叶轮室进口的几何尺寸做了相应调整。经过优化的3个方案肘形进水流道单线图见图1。

图1 3个方案肘形进水流道单线图

4 进水流道计算区域及边界条件

为方便设置进、出口边界条件，沿进水流道的进、出口分别向外拉伸一定长度，这里可认为是湍流的充分发展区域，因此进水流道的数值计算区域包括进水池、进水流道和出口直管。进水流道的取压断面分别设在距进水流道有一定距离的进水池内和进水流道的出口。进水流道计算区域如图2所示。

进水流道计算流场的进口边界设置在进水池进口处，进口断面为一垂直于水流方向的断面。在这里，可认为来流速度在整个断面上均匀分布。计算流量可作为已知条件，故而进口边界采用速度进口边界条件。

为了准确地应用出口边界条件，将计算流场从进水流道出口沿水流方向等直径延长，使计算流场的出口边界设置在距进水流道出口2倍圆管直径处。这里的流动是充分发展的，可采用自由出流边界条件。

进水池的表面是自由水面，若忽略水面风引起的切应力与大气层的热交换，则自由面对速度和湍动能均可视为对称面处理。

进水流道边壁、前池底部及导流帽等处均为固壁，其边界条件按固壁定律处理。固壁边界条件的处理中对所有固壁处的节点应用了无滑移条件，而对紧靠固壁处节点的湍流特性，则应用了所谓对数式固壁函数处理之，以减少近固壁区域的节点数。

5 进水流道计算区域网格剖分

生成网格是对流动问题进行数值计算的重要一步，即要对空间上连续的计算区域进行剖分，把它划分成许多个子区域，并确定每个子区域的节点。由于工程上所遇到的流动问题大多发生在复杂区域内，因而不规则区域内网格的生成是计算流体力学中一个十分重要的研究领域。实际上，流动问题数值计算结果的最终的精度及计算过程的效率，主要取决于所生成的网格与所采用的算法。一个成功而高效的数值计算，只有在网格的生成及求解流场的算法这两者之间有良好的匹配时才能实现。

从总体上来说，计算流体力学所采用的网格大致分为结构化网格和非结构化网格两大类。

在结构化网格中，每一节点与其邻点之间的联结关系固定不变且隐含在所生成的网格中，每一个节点及控制容积的几何信息必须加以存储，但该节点的邻点关系可以根据网格编号的规律自动得出而不必专门存储这类信息。一般数值计算中正交与非正交曲线坐标系中生成的网格都是结构化网格。适体坐标法是常用的生成结构化网格的方法，它主要有保角变换法、代数法、微分方程法。当计算区域比较复杂，即使应用网格生成技术也难以妥善地处理所求解的不规则区域时，可以采用块结构化网格。在这种方法中，把整个求解区域分为若干个小块，每一块中均采用结构化网格，块与块之间可以是并接的，也可以是部分重叠的。这种网格生成方法既有结构化网格的优点，同时又不要求一条网格线贯穿在整个计算区域中，给处理不规则区域带来了方便，目前应用很广。

在非结构化网格中，单元与节点的编号无固定规则遵循，除了每一单元及其节点的几何信息必须存储外，与该单元相邻的那些单元的编号等也必须作为联接关系的信息存储起来，因此非结构化网格的存储信息量比较大。生成非结构化网格的方法主要归结为Delaunay三角形化方法和推进阵面法两大类。非结构化网格几何灵活性优越，对复杂外形具有良好的普遍适应性，而且其随机的数据存储结构使得网格的自适应加密变得非常简单。因此非结构比网格自20世纪80年代以来在CFD中得到了迅速的发展和广泛的应用。

对进水流道采用非结构化网格，进水池和出口直管采用混合网格cooper网格进行延拓，具体网格剖分情况如图2所示。

图2 进水流道计算区域网格剖分图

表1 3个方案进水流道数值计算结果表

6 进水流道的数值计算结果

3个方案的进水流道表面流场图和分层流场图分别见图3、图4。

图3 各方案进水流道表面流场图

图4 各方案进水流道分层流场图

从进水流道流场图可以看到：在流道的直线段内，流态平顺，流速逐渐增大；进入流道弯曲段后，水流迅速转向和加速，使得流道内侧流速明显大于外侧的流速；由于水流在作90°转向的同时，伴随着急剧的侧向收缩，故此处并未产生脱流；在流道圆锥段内，由于惯性力的强烈作用，较大的水流速度开始出现在流道外侧壁附近，经过圆锥段的短距离调整，在接近流道出口处，水流趋向于均匀分布和垂直于出口断面。

从流场图可以看出：随着叶轮直径的增大，进水流道出口附近的流速明显减小，这也是流道水力损失随叶轮直径的增加而减少的主要原因。

3个方案进水流道的数值计算结果见表1，由计算结果可以看出：3个方案进水流道出口断面的均匀度和速度加权平均角度基本不变；进水流道的水力损失接近于与叶轮直径的4次方成反比。