基于CFX的三种不同形式的双向泵站在自引自排工况下过流特性对比

王梦成，咸国盛，李 昕，杨 叶，陈松山

(1.扬州大学 水利与能源动力工程学院， 江苏 扬州 225000； 2.镇江市水利局， 江苏 镇江 212000； 3.镇江市谏壁抽水站管理处， 江苏 镇江 212000)

我国的降雨在时间和空间上具有不均衡性，季节性的干旱与洪涝交错出现，因此需要建设具有灌溉与排涝双重功能的泵站。可行的技术方案有“一站四闸”或“一站三闸”的枢纽布置方案、“S形”叶片双向水泵方案以及“闸站合一”的双向流道泵站方案。其中“一站四闸”与“一站三闸”的枢纽布置方案具有工程量较大的缺点，“S形”叶片双向水泵方案具有效率较低的缺点[1]，而“闸站合一”的双向流道泵站方案可以较好的克服这些缺点[2]，故“闸站合一”的双向流道泵站在我国的灌排结合泵站中应用较为广泛。然而在过去的几十年里，人们对于双向流道泵站的研究及水力优化设计主要集中在提灌提排的功能上，如陈卫平[3]、袁丹青[4]、朱荣生等[5]则是结合谏壁抽水站技术改造，开展了进、出流道数值模拟和水泵装置模型试验研究。王林锁等[6]及施卫东[7-8]对望虞河开敞出水、箱涵式进水双向流道泵站进行模型装置特性试验和消涡措施的研究。周济人等[9]、张仁田[10-11]、刘超[12-14]、成立等[15]结合江苏高港泵站采用模型试验和数值模拟研究了泵的出水室、进水喇叭管、导水锥和进水消涡栅等，提出一种高效的双向流道泵装置。朱兴华等[16]在分析安徽凤凰颈泵站水位特征值基础上，探讨了双向流道形式和机泵选型问题。纵观各种文献资料可知泵站研究者们对自引自排时流道内部的流态关注的则较少，而不同形式的双向流道在自引自排工况下的过流特性存在较大的差异。随着近现代计算数学、流体力学和计算机科学的发展，使得计算流体力学软件开发与应用更为广泛，基于CFX的湍流数值模拟现已成为解决工程问题的重要辅助手段。研究将基于三维湍流数值模拟典型的三类不同型式双向流道泵站——谏壁泵站、望虞河泵站和魏村泵站为研究对象，探讨不同形式的双向流道泵站在自引自排工况下过流特性与内流场之间的差异，旨在为以后的双向流道泵站的设计提供一定的参考依据。

1 自排自引数值模拟模型

1.1 控制方程

对于泵站水头损失及流态计算，假设水体具有连续性和不可压缩性[17]，其时均化的动量方程(RANS)与连续性方程可表达为：

(1)

(2)

湍流模型采用标准的k-ε湍流模型方程：

(3)

(4)

1.2 边界条件

自引自排工况下，水泵机组处于停止状态，而闸门的开启组合应该保证水泵叶轮受到的冲击力与扰动尽可能的小以防止其对水泵机组造成不良影响。因此自引自排工况下过流方式只有两种：(1) 出水流道闸门全关闭，进水流道闸门开启；(2) 出水流道闸门开启，进水流道闸门全关闭。这两种组合下水流在进水流道与出水流道之间串流将会被减到最小，其对泵段的影响也最小。数值模拟中双向进水流道的边界条件包括：固壁面边界条件、交界面边界条件、进口边界条件和出口边界条件。

(1) 固壁面边界采用壁面无滑移假设，在CFX-Pro中即为Scalable壁面函数。

(2) 交界面边界设于两个流体域的交界面处，采用普通联结。

(3) 进口边界设在进水池进口处，并假定来流是充分发展湍流，进口处速度分布均匀且垂直进口断面。

(4) 出口边界设在出水池出口处，考虑到回流的存在，在CFX-Pro中出口边界设置为Open Pressure and Direction。

1.3 三维造型与网格剖分

因泵站的主体尺寸较大，若以原型进行模拟，为满足近壁面函数条件的适用性，保证模拟的精确性，则其所需的网格数量过于巨大，这将给网格划分与数值计算带来一系列的麻烦，因此采用模型进行计算分析；为了使各个双向流道之间的过流特性具有可比性，需要将不同形式的双向流道某个具有代表性的尺寸缩放到同样大小，现根据相似理论将各模型大小按照叶轮直径设定为15 cm进行缩放计算。根据三个泵站的施工图进行建模与网格划分，结果如图1～图6所示。为了消除网格数对计算结果的影响，对网格数进行网格无关性验证计算，综合考虑计算耗时与计算结果的准确性[18-19]，取谏壁泵站的网格数为426万个、望虞河泵站的网格数为568万个、魏村泵站的网格数为401万个。

图1 谏壁泵站流道模型

图2 谏壁泵站流道网格

图3 望虞河泵站流道模型

图4 望虞河泵站流道网格

图5 魏村泵站流道模型

图6魏村泵站流道网格

2 计算结果与分析

对双向流道泵站而言，其自引自排工况下存在三种过流方式:

(1) 进水流道过流。保持出水流道闸门全关闭，控制进水流道闸门开度控制过流。

(2) 出水流道过流。保持进水流道闸门全关闭，控制出水流道闸门开度控制过流。

(3) 混合过流。进、出水流道闸门都开启，共同控制过流量。

由文献[20]可知，对于双向流道自引自排而言，混合过流会导致泵段内的流体湍动加剧，对泵机组将会产生较大的不利影响，故过流方式(3)舍去；保持进水侧的闸门全开，控制出水侧闸门开度来调节流量是最佳的闸门控制方案。在本次模拟中采用同样的闸门控制方案来研究过流方式(1)和过流方式(2)。

2.1 进水流道的过流特性对比

出水流道闸门全关闭，进水流道进水侧闸门全开启，控制进水流道出水侧闸门相对开度使其分别为1.0、0.8、0.6、0.4、0.2，经计算各双向流道泵站进水流道的过流特性如图7～图9所示。

以进水流道进出口闸门全开过流量为60 L/s为例，由图7～图9对比可以得出，在自引自排状态下，望虞河泵站进水流道水头损失最小为420 Pa，魏村泵站的损失最大为1 260 Pa，谏壁泵站处于中间为760 Pa。这是由其流道结构特性决定的，由图1、图3和图5各流道外形可知，谏壁泵站和魏村泵站是三层结构，在进水流道与出水流道之间有一个夹层，这个夹层的存在使得在双向流道的尺寸相近时，进水流道与出水流道的大小被限制在一个较小的范围内，从而使得其损失较大。而魏村泵站中间夹层的高度相比较于谏壁泵站高度更高，使得进水流道高度更低，所以对于进水流道而言，魏村泵站进水流道的损失大于谏壁泵站。望虞河泵站采用的是双层流道结构，这使得进水流道与出水流道的高度可以设置的很高，从而减小了水力损失。

图7 谏壁泵站进水流道流量压差曲线

图8 望虞河泵站进水流道流量压差曲线

图9魏村泵站进水流道流量压差曲线

2.2 出水流道的过流特性对比

进水流道闸门全关闭，出水流道进水侧闸门全开，控制出水流道出水侧闸门相对开度使其分别为1.0、0.8、0.6、0.4、0.2，经计算各双向流道泵站出水流道的过流特性如图10～图12所示。

图10 谏壁泵站出水流道流量压差曲线

图11 望虞河泵站出水流道流量压差曲线

图12魏村泵站出水流道流量压差曲线

以出水流道进出口闸门全开过流量为60 L/s为例，由图10～图12对比可以得出，在自引自排状态下，望虞河泵站出水流道损失最小为480 Pa，谏壁泵站的损失最大为1 510 Pa，魏村泵站处于中间为为1 200 Pa。除了上述的流道高程原因外，谏壁泵站的出水流道设计宽度最小，而魏村泵站与望虞河泵站出水流道的宽度与进水流道的宽度一致，相对于谏壁泵站来说较为宽阔，在高度与宽度的综合作用下，谏壁泵站其出水流道损失最大。

2.3 各形式流道内部流场对比

将各形式双向流道泵站的边界条件设为一致，以进出水压差2 500 Pa、进出口闸门全开为例分别进行计算，对比各形式流道内部流场的分布，见图13～图24，其中横剖面以闸门高度的一半来截取，纵剖面取对称面，图中相同的颜色表示该区域具有相同的速度，图例的单位为m/s。

(1) 进水流道对比。由图13、图15、图17对比可得谏壁泵站这种双向流道形式的进水流道内流场流速分布最为均匀，其在连接泵段处的流速分布较为规整，故在这里的局部损失较小；而魏村泵站与望虞河泵站进水流道中的流速分布较为散乱，流速变化较大，尤其是在连接泵段处，流速变化较为剧烈，故而该处的局部损失较大。这是由于魏村泵站与望虞河泵站在泵段连接处都存在一个导水锥，这个导水锥的存在使得该种形式的双向流道在提灌、提排时可以有效的较少泵段进口处产生的漩涡，但其在自引自排工况下会使得流道内的流体产生绕流作用(同圆柱绕流)，使得此处的流速变化较为剧烈并在导流墩的背面产生漩涡。通过纵剖面图14、图16、图18可以看出谏壁泵站进水流道过流时流体对泵段处的扰动作用最小，而望虞河泵站进水流道过流时对泵段处的扰动作用最大。这是由于望虞河泵站的结构形式为双层流道结构形式，中间并没有夹层，这使得进水流道与泵段的距离较近，从而更容易影响到泵段处。

图13 谏壁泵站进水流道横剖面

图14 谏壁泵站进水流道纵剖面

图15 望虞河泵站进水流道横剖面

图16 望虞河泵站进水流道纵剖面

图17 魏村泵站进水流道横剖面

图18魏村泵站进水流道纵剖面

(2) 出水流道对比。由图19、图21、图23对比可得对于谏壁泵站出水流道内的流场分布最为均匀。在泵段连接处，谏壁泵站在该处的流速分布最为均匀，没有较大的流速变化，局部损失最小；而魏村泵站与望虞河泵站在出水流道连接泵段处由于泵段连接处喇叭口的存在产生的绕流作用使得该处的流速变化较大，产生的局部损失较大。通过纵剖面图20、图22、图24可以看出魏村泵站出水流道过流时其对泵段的影响最大，而望虞河泵站与谏壁泵站出水流道过水时对泵段处的影响较小。其中谏壁泵站是由于在泵段连接处没有阻碍流体运动的物体存在从而使得其对于泵段处的影响较小，而望虞河泵站则是由于泵段连接处的喇叭口伸出高度设置的较高，使得出水流道过流时流道内部被扰动的流体难以影响到泵段处。

图19 谏壁泵站出水流道横剖面

图20 谏壁泵站出水流道纵剖面

图21 望虞河泵站出水流道横剖面

图22 望虞河泵站出水流道纵剖面

图23 魏村泵站出水流道横剖面

图24魏村泵站出水流道纵剖面

3 结 论

本文以时均N-S方程和标准k-ε湍流模型方程模拟计算了谏壁泵站、望虞河泵站、魏村泵站三种具有代表性的双向流道泵站在自引自排工况下进水流道与出水流道单独过流时的过流特性与在相同条件下三种不同形式的双向流道内部流场的分布，通过分析对比得到如下结论：

(1) 在自引自排工况下，进水流道单独过流时。在通过相同的流量下，望虞河泵站的水头损失最小，而魏村泵站的水头损失最多。在相同的压差作用下，谏壁泵站进水流道内部流动最为均匀，其在泵段连接处局部损失最小，对泵段处的影响也最小；而魏村泵站与望虞河泵站由于导水锥的存在使得其在泵段连接处的绕流作用较为明显，故而该处的局部损失较大。其中望虞河泵站由于其双层结构使得泵段与进水流道相距较近，故而在进水流道过流时，流体对泵段的影响较大。

(2) 在自引自排工况下，出水流道单独过流时。在通过相同的流量时，望虞河泵站的水头损失最小，而谏壁泵站的水头损失最多。在相同压差作用下时，谏壁泵站进水流道内部流动最为均匀，其在泵段连接处局部损失最小，对于泵段的影响也较小；而魏村泵站由于导水锥的存在且其喇叭口的伸出高度相对较低，故而对泵段处的影响最大。