CFD技术在汕头市东部城市经济带塔岗围南港排涝泵站流道优化的应用

陈仕贝

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

科学研究及工程设计

CFD技术在汕头市东部城市经济带塔岗围南港排涝泵站流道优化的应用

陈仕贝

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

在防洪泵站中，出水流道是非常重要的组成部分，水力特性对泵站的运行安全以及泵站的装置效率影响非常大，如果设计不合理，会出现尾涡、回流等二次流，造成水力损失，因此合理地进行出水流道设计至关重要。本文首先对CFD技术进行了介绍，然后结合工程具体情况，对采用CFD技术对泵站流道优化做了探讨，并提出了优化措施。

CFD技术；排涝泵站；流道优化

在对排涝泵站流道进行优化时，泵站流道内部流态较复杂，所以使用原型观测或模型试验方法检测周期长、检测费用也较高。在进行设计时，常规采用水力损失分段计算的方法来预测流道的水力特性，但是这种方法预测准确度较低，无法进行多方案优化对比。随着数值计算方法和计算机技术的不断发展，CFD技术在排涝泵站流道优化中的应用日益广泛，通过利用CFD技术可以模拟泵站不同方案下流道内部的流动情况，并分析数值模拟结果，预测流道水力性能，实现优化设计的目标。

1 CFD技术介绍

CFD 技术，是利用数值方法将流场的控制方程离散到一系列网络节点上，并将离散数值解计算出来。所有流体流动都遵循能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律。可以分别将能量方程、动量方程、连续性方程导出，然后得到纳维尔-斯托克斯偏微分方程组，该方程组包括了流体流动过程中遵守的所有规律。在守衡方程组的基础上，将流体流动的初始条件、边界条件以及特殊性质的数学模型反映出来，进而组成封闭方程组来对流体和特定流场的流动规律进行描述。

一般来说，流场控制方程组主要包括三种类型，分别为抛物型、椭圆型、双曲型偏微分方程组，从物理学的角度来说，椭圆型方程与时间变量没有关系，只与空间变量二次导数项有一定的关系。通常用来对定常情况下的控制方程进行描述。双曲型方程和抛物型方程不仅与空间变量导数有一定的关系，而且与时间变量的一阶导数项和二阶导数项相关，可以用于对非定常情况下的控制方程进行描述。在进行CFD数值求解时，常用的方法主要有：有限元分析法、有限容积法、有限差分法、边界元法、谱分析法、数值积分变换法、格子-Boltzmann法等；虽然后面的几种方法近年来发展较快，而且已解决了一部分问题，但是，从方法实施的难易程度、成熟程度和应用广泛性的角度来说，有限元法和有限容积法最具优势。虽然数学上针对不同类型的方程，已经发展出不同的收敛算法和稳定算法，但是针对双曲型方程和抛物型方程一般都使用有限容积法，而对于椭圆型方程则建议使用有限元法。当前大型商业化CDF软件中只有FIDAP是采用有限元法的，而PHOENICS、CFX、STAR-CD、FLUENT等都使用有限容积法进行计算。CFD技术近几年的发展主要体现在以下几个方面：

a. 网格形态从过去规则的六面体结构网格、四边形结构网格逐步发展成更具灵活性的四面体、三角形和多边形等非结构化的网格，具有更强的适用性[1]。

b. 利用解微分方程或代数变换的方法进行构造，确保坐标曲面和求解域边界重合。虽然求解域在物理空间内形状比较复杂，但是经过变换后空间内为规则的圆柱体或长方体。

c. 网络单元间距划分达到了自适应化，并根据问题物理量的变化梯度对分布网络进行优化，提升解题的效率和精度[2]。与此同时可以实现局部加密精度，使局部分辨率提升，从而更好地对流动机理和流动现象进行捕捉。

d. 可以将网格划分成各种不同的结构块，可实现不同结构块数据的交换和通信，有规则地对复杂外形进行划分，从而适用于各种复杂的几何形状。

e. 在线附近、间断面或者计算不稳定的情况下，可采用自动人工黏性计算，可获得稳定、平滑的数值解。

f. CFD程序设计逐步实用化。主要包括各类冰箱计算设计方法和各面向对象的设计思想[3]。例如进行共享内存的多CPU并行计算、分区并行计算，进行工作站集群方式的大规模计算、分布式内存大规模计算。

g. 可使用多重网格加速的方法来提升收敛的稳定性以及收敛的速度。当前，CFD实际应用主要有三种方法。一是使用CFD程序的设计思想，可让用户根据具体的问题进行分析和编程，具有程序专业性强、施工成本低、施工规模小等优点，缺点是要求企业有专业人才，会增加工作量，软件通用性比较差，而且需要花费较长的时间来完成，适用于开发能力比较强的行业研究所。二是根据企业自身特点，科学地选择商业流体分析软件[4]。这种方法具有较强的针对性，软件具有较强的通用性，可以将所有的物理模型、算法与建模、网络划分、解算后处理结合到一个软件包中，使用起来比较方便，可以用于解算各种复杂的几何形体。但是这种方法对企业的技术力量和经济实力要求比较高，一般适用于常使用CFD技术来解决问题的大型企业。三是企业委托专门的CFD单位，利用专业的商业软件和专门的人才来完成任务。这种方法分工明确、专业灵活，投入人力小，适合我国大多数企业[5]。通过使用CFD技术可以帮助人们实现流动相关的计算，可完成基础设计工作，并优化参数的优择。

2 工程概况

汕头市东部城市经济带新津河、外砂河河口治理及综合开发工程处在汕头市韩江三角洲网河出海口门区域，工程分为三片：汕头港防砂堤—新津河口、新津河口—外砂河口、外砂河口—莱芜岛。塔岗围南港排涝泵站(以下简称排涝站)主要负责外砂河口—莱芜岛片排涝。排涝站内安装3台立式轴流泵组，水泵型号为1600ZLB-3，单泵设计流量为8.70m3/s，泵站排涝总流量为25m3/s，设计扬程2.11m，最大扬程4.30m，水泵转速250r/min，电机型号为TL450-24/1730，额定电压10kV，电机额定容量450kW。排涝站厂房为湿式半地下厂房，电机安装高程为4.00m，水泵安装高程为-3.00m(叶轮中心线高程)。当外水位低于内水位时利用水泵下部矩形流道自流排水，当外水位高于内水位时利用水泵排水。排涝站进出水池特征参数见表1。

表1 排涝站进出水池特征参数

3 CFD技术的应用

由于防洪泵站所处地区地势比较复杂，地理环境也比较特殊，为了设计出结构合理的出水流道，保证流动稳定性，降低水力损失，共计算了两个方案。

方案一和方案二计算模型如图1和图2所示。其中方案二是对方案一前池加一隔断墙，其他不变。

图1 方案一计算物理模型

图2 方案二计算物理模型

为了计算结果的可比性，划分网格时，方案二的前池采用与方案一相同的策略，其他部分仍用方案一的网格。性能预测和内部流场计算如下。

3.1 性能预测

求解器型号为ANSYS-CFX 12.0，定常求解，计算选用Standard k-epsilon湍流模型，收敛精度为1×10-4，进口为总压，出口为质量流量[6]。对设计流量Q0=8m3/s(即1.0Q0)及0.9Q0、1.1Q0共三个流量进行了计算，计算得到的性能参数见表2。

表2 CFD分析得到的性能参数

3.2 内部流场

为了更清楚地了解该泵站内部的流场结构，取Q=0.9Q0=7.2m3/s、设计流量Q0=8m3/s和Q=1.1Q0=8.9m3/s三种情况的内部流场，进行了汇总对比，经过分析发现，当设计流量Q0=8m3/s时，方案一、方案二计算得到的扬程分别为2.48m、2.50m，两者基本相同，均满足设计要求；水力效率为87.57%、87.67%，也基本相同。在Q=0.9Q0=7.2m3/s时，方案一的扬程和效率均略高于方案二，在Q=1.1Q0=8.8m3/s时，方案一的扬程和效率均略低于方案二，这说明方案二前池增加的隔断墙，有助于改善大流量的流态，但对小流量的流态有不利影响。

从实际情况来看，泵内部流态较好，前池部分(从进水方向看，主要是泵轴中心线前方)，无论是方案一还是方案二都有较明显的漩涡。为了解决这一问题，考虑设置隔断墙。通过设置隔断墙不仅可以有效阻碍水顺畅地进入喇叭口，而且可以消除一些较大尺度的漩涡，这可能是因为它对小流量有不利影响，但是可以改善大流量的原因。综上所述，在充分考虑泵站一般在设计点及大流量点之间运行，建议用隔断墙。

4 应用效果

汕头市东部城市经济带塔岗围南港排涝泵站流道经过上述分析后，设计采用隔断墙进行流道的优化。在增加隔断墙以后，排涝泵站流态得到了显著的改善，在作业现场对机组进行调试的过程中，机组运行平稳，取得了良好的优化效果。

5 结 语

综上所述，在汕头市东部城市经济带塔钢围南港湾泵站流道优化中应用CFD技术进行模拟得出可以有效减少出水流道的开发周期，可提升生产效率，降低生产成本，保证设计质量的结论。方案二增加隔断墙以后，对流态改善明显，现场调试时，机组运行平稳，达到了预期目标。在计算机技术和计算流体力学的不断发展下，CFD技术可弥补常规方法试验周期长、试验费用高的不足，具有较高的推广应用价值。

[1] 陆林广，刘丽君.泵站出水流道基本流态分析[J].水利学报，2000(3)：69-76.

[2] 陆林广.泵站进水流道设计理论的新进展[J].河海大学学报(自然科学版)，2001(1)：40-45.

[3] 成立，刘超，谢卫东，等.大型泵站肘形弯管进水流道数值优化研究[J].排灌机械，2002(6)：19-22.

[4] 王业明，陆林广，谭建荣.泵站肘形流道流场可视化与仿真系统的研究[J].农业机械学报， 2002(6)：56-59.

[5] 朱荣生，李维斌，吴春笃.谏壁泵站出水流道的CFD分析[J].中国农村水利水电，2004(12)：101-102.

[6] 付强.浅谈武汉市杨泗港泵站节能降耗工作[J].中国水能及电气化，2014(4)：39-41.

Applying CFD Technology to Optimization of Water Drainage Pump Station Runner in Tagangwei South Harbor, East City Economic Belt, Shantou

CHEN Shibei

(GuangzhouProvincialInstituteofWaterConservancyandPowerSurvey,Guangzhou510635,China)

In flood-control pump station, discharging runner is an import ingredient. Hydraulic characteristics have big impacts on secured operation and installation efficiency of pump station. Unreasonable designing would lead to trailing vortex, backflow and other secondary flow and cause hydraulic loss, so reasonable implementation of designing of discharging runner is quite important. This article starts by introducing CDF technology, then by combining with specific condition of the project, it probes into optimization of runner in pump station by use of CFD technology.

CFD technology; water drainage pump; runner optimization

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.017

TV222.2

A

1673-8241(2017)05- 0046- 04