竖井式贯流泵装置进出水流道优化CFD

2018-08-29李尚红

中国农村水利水电 2018年8期

孙衍，李尚红，颜蔚，成立

(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏江都 225200；2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 2250091)

0 引言

竖井式贯流泵装置是一种低扬程泵站结构形式[1]，它将电机、齿轮箱安装于钢筋混凝土竖井内，水泵进、出水流道顺直，泵站装置效率高，结构简单，开挖深度小，平面尺寸小，工程投资少，便于管理、维护。刘军[2]、郑源[3]对前置和后置竖井式贯流泵装置装置效率进行了比较。徐磊等[4,5]通过CFD和模型试验，分析了竖井贯流泵装置流态并优化了相关型线结构。颜红勤[6]结合无锡梅梁湖泵站，阐述了低扬程泵站竖井贯流泵装置水泵nD值、叶轮中心安装高程、流道线型尺寸以及主要配套设备等的确定。陈松山[7]对椭圆型渐缩前置竖井贯流进水流道与由圆截面渐变至矩形截面出水流道匹配组成的模型泵装置进行了动力特性试验研究。杨帆[8]提出了竖井贯流泵装置多工况性能加权评价指标。随着计算流体力学的发展，采用CFD技术进行泵装置优化设计成为主要研究手段[9]。

本文以盐城西闸站为研究背景，基于CFD技术对竖井贯流泵装置进出水流道进行数值模拟优化研究，相关成果在工程中得到应用实施。

1 泵站基本参数和优化目标

1.1 基本参数

泵站单机设计流量15 m3/s，水泵叶轮直径D=2.45 m，本文以西闸站初步设计阶段确定的泵装置长度、宽度和水泵叶轮中心高程及进水流道进口、出水流道出口的底高程为基础，在此基础上优化泵站进、出水流道宽度、长度和型线，并对竖井式贯流泵装置进行了水力设计方案比较研究。

1.2 优化水力设计目标

1.2.1 进水流道水力优化的目标

竖井贯流泵装置的进水流道是进水池与水泵叶轮室之间的过渡段，其作用是为引导水流由进水池平顺均匀地流向叶轮室，为水泵叶轮室进口提供符合设备转轮水力设计要求的流态，以保证水泵稳定、高效地运行。对进水流道水力设计的具体要求为：①流道型线平顺，各断面面积沿程变化应均匀合理；②出口断面处的流速和压力分布应比较均匀；③流道水力损失尽可能小；④在各工况下，流道内不应产生涡带。

1.2.2 出水流道水力优化的目标

竖井贯流泵装置的出水流道是水泵导叶出口与出水池之间的过渡段，其作用是引导水流在流向出水池的过程中平缓有序地扩散，在流道水力损失尽可能小的条件下最大限度地回收水流的动能。对出水流道水力设计的具体要求为：①流道型线变化应比较均匀，当量扩散角宜取8°～12°； ②尽可能多地回收水流的动能，最大限度地减少流道水力损失； ③流道内的水流扩散平缓避免产生涡流及其他不良流态。

2 研究对象及模拟方法

2.1 研究对象

水贯流泵装置的过流部件包括前池、进水池、进水流道、叶轮、导叶和出水流道，如图1所示。叶轮直径为2 450 mm，叶片数为3，导叶片数为7，转速为132 r/min。

图1 计算对象

2.2 数值模拟

采用分块策略对计算进行六面体网格剖分。进、出水流道选用O型拓扑结构，便于对边界层进行加密。借鉴相关文献的方法[24]，叶轮采用H/J/L-Grid拓扑结构，导叶选用H-Grid拓扑结构。为获得更为精确的结果，对叶片周边区域的网格进行加密处理，整个计算域内y+值在30～500之间[10-11]。为提高计算精度，排除网格数量对计算结果的影响，同时适当减少计算时长，对整个计算域进行了网格无关分析。网格节点数达到一百万个后，泵装置扬程和叶片扭矩波动值均小于1%。

相关文献研究表明[12]，RNGk-ε湍流模型考虑分离流动和涡旋的效应，适用于泵装置的数值计算。采用Scalable wall function处理近壁区流动。进口条件采用质量进口，出口边界设置为压力出口。

2.3 性能预测模型

根据伯努利能量方程计算泵装置净扬程，由计算得到的流速场和压力场以及叶轮上作用的扭矩预测泵装置的水力性能。

泵装置进水流道进口1-1(见图1)与出水流道出口2-2(见图1)的总能量差定义为净扬程，用下式表示：

(1)

等式右边：第一项为静压能水头差；第二项为高程差；第三项为动能水头差；因此，泵装置的效率即为：

(2)

式中：Tp为扭矩；ω为叶轮角速度。

3 计算方案

根据初步分析，影响泵装置性能的主要参数有：进水流道宽度Bin，进水流道高度Hin，出水流道宽度Bout，出水流道高度Hout，进水流道竖井型线等。因此根据优化目标函数对泵装置进、出水流道进行优化，共对5种典型进水流道(编号JS1、JS2、JS3、JS4、JS5)和4种出水流道(编号CS1、CS2、CS3、CS4)组合的7种方案进行优化计算比较。

方案1为原设计方案，方案2、3和4为在相同进水流道下对出水流道进行优化，方案4、5、6和7为在相同出水流道下对进水流道高度、宽度及型线进行优化。各方案装置流道的构成见表1。

4 计算结果分析

4.1 原方案流动特性

由流场图2可知，在竖井过渡段，水流在顺水流方向均匀收缩和加速。在出竖井段后进入进水锥管后，水流虽然得到了充分地调整、较为均匀地流向叶轮室进口，但由于进水锥管收缩角较大(单边达到13°)，水流流动与流道出口形成了较大的偏斜角度。根据流场计算结果，进水流道出口的流速分布均匀度达95.9%，但水流入泵平均角度达-7.39°。

表1 研究方案 m

图4为进出水流道顺水流方向内部流速矢量图。由图4(b)可知，隔墩两侧的流动并不对称，而表现为一侧流量大，另一侧流量略小一些，这一现象与实际情况是相符的。因为泵站实际运行过程中，水流在叶轮旋转加速作用下具有一定的环量。水流流出叶轮进入导叶，导叶对环量的具有一定的回收作用，但是导叶不能够完全回收环量。水流剩余环量会对出水流道隔墩两侧的水量分配及内部流态也会产生影响，导致隔墩两侧水流流动不对称。

由流场图可以看到，水流的扩散是均匀的，但从压力等值线(图3)来看，由于水流由导叶流向出水流道要经过平直管段，导致在转折处局部出现负压区。

图2 进、出水流道纵向进水流态图(方案1)

图3 进、出水流道纵向压力等值线图(方案1)

图4 进、出水流道流速矢量图(方案1)

4.2 进水流道水力优化

进水流道由进水直段、竖井段和锥段组成。竖井段为断面渐变段，由矩形断面逐步变化为圆形断面，将水流逐步加速并平顺地引入锥段。进水流道宽度、高度和型线都将显著影响其内部流态。

4.2.1 进水流道宽度优化

方案2、3和4采用了JS2(宽度6 m)进水流道。如图5所示JS1进水流道断面面积变化较其他方案剧烈，JS2进水流道内流速变化表现为加速、减速、再加速的规律，这不符合进水流道设计的基本要求。经多方案比较优化，采用进水流道宽度为6.7 m进行流道型线等参数的优化。

图5 断面面积、平均流速与流道长度关系曲线

4.2.2 进水流道高度优化

由原方案可知进水流道进水锥管收缩角过大，因此适当降低流道高度可减少收缩角，改善水流入泵条件。JS1、JS2和JS3为流道高度为3.5 m流道方案，JS4和JS5为流道高度为3.0 m流道方案。对计算结果进行分析，流道高度为3.0 m时，再对竖井过渡段进行优化后，流道出口均匀度得到一定提高，水流入泵平均角度有较大改善。各进水流道方案计算结果列在表2。

4.2.3 进水流道型线优化

图6(a)给出了不同流道宽度下JS1、JS2、JS3流道单线图，图7(b)为流道宽度6.7 m下的流道型线比较图。JS2、JS3流道过渡段变化剧烈，JS1和JS5过渡段从竖井3断面开始，变化较为平顺。由断面面积、平均流速与流道长度关系曲线图(图6)，JS5进水流道内断面过渡光滑平顺，流速无突变，其他4种进水流道方案断面过渡均不够平顺。由各方案的计算流场和压力场图可知，进水流道内未见脱流。

表2 进水流道方案流速均匀度和入泵角度计算结果

图6 进水流道型线比较图

4.2.4 进水流道水力损失

由计算可知，进水流道损失绝对值较小，其中JS1流道与JS5流道损失相当，其次为JS4流道，JS2和JS3损失相对较大，JS3流道损失介于上述流道之间。计算结果见表3。

表3 各方案进水流道水力损失 cm

4.3 出水流道水力优化

在竖井贯流泵装置中，出水流道由渐变段和出水直段组成。渐变段是将水流逐步扩散，断面由圆形逐步过渡矩形。该段的形状对出水流道内的流态起决定性作用，如设计不当将导致旋涡，引起水力损失增加。

4.3.1 出水流道型线优化

对图7为四种出水流道(CS1、CS2、CS3、CS4)进行了计算比较。计算表明CS3流动与CS4流动相似，流道内流动扩散较为均匀，而CS2与CS1流动形似，转折处局部都出现了负压区。

图7 出水流道单线图比较

4种出水流道方案的长度和当量扩散角列于表4。通过去除出水平直管段，CS4的流道长度由方案1的CS1出水流道16.3 m长缩短为11.5 m。由于宽度由6.7 m减少至6.0 m，使得CS4的单边扩散角减少至5.67°。因此，CS4为最优的出水流道方案。方案7中的出水流道为将隔墩缩短和厚度减薄的方案，其对总体的流态影响较小。