杏林湾排涝泵站竖井贯流泵装置内部流态的数值分析

翟作卫 蒋启华 陶光辉

中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北 武汉 430072

杏林湾排涝泵站额定排水流量为280m3/s，水泵额定扬程定为3.0m，为大流量低扬程排涝泵站，设计选用竖井贯流泵，设置7台水泵机组，单泵设计流量为40m3/s。竖井贯流泵是将电机及其连接装置均布置在竖井内的的一种贯流泵型式，其进出水流道直，水流平顺，水力装置效率高，过流能力强，是一种适合低扬程或特低扬程的泵型。由于贯流式水泵能量指标高，水泵直径相对较小，其开挖量较小，流道形状也简单便于施工。进出水流道呈水平布置，只有收缩扩散，没有弯曲，因而具有较好的水力性能和较高的水泵效率。对土建施工要求低，可以节约泵房的投资。贯流泵结构紧凑，占地面积小，泵房高度低。

杏林湾排涝泵站具有泵站流量大、机组台数多的特点。为了保证泵站安全、高效地运行，有必要通过数值模拟对泵站进出水流道体型方案进行选择和验证，提出满足泵站安全、高效运行的改进方案。

数值模拟应在初步确定的杏林湾排涝泵站设计方案基础上，进行三维流场数值精细模拟和全面深入分析，进行方案遴选与优化，为设计方进行方案比选提供可靠依据。

1、数值模拟方法

1.1 控制方程

泵站进出水系统内的流动通常处于湍流状态，湍流的运动虽然非常复杂，但在连续介质假设成立的前提下，流体的运动可以用N-S方程来描述。

1.2 湍流模型

在泵站工程进出水系统及水泵流道内，容易存在回流、旋涡、二次流等典型非稳定的流动现象，根据常用工程湍流模型的应用范围和以往计算经验，采用重整化群（RNG）k-ε湍流模型能够较好的满足泵站数值模拟研究的要求。

1.3 边界条件

计算边界条件，杏林湾水库水源进口采用开放式边界条件，泵站各流道出口给定质量流量（40m3/s），壁面采用无滑移边界条件，出口为自由出流。

2 泵站初始方案的泵装置内部流态研究

2.1 计算模型

利用ANSYS ICEM网格生成软件建立计算模型的网格，其中，对于复杂的几何边界，六面体网格生成的技术要求较高，不利于高效地进行多方案比较。由于非结构网格非常容易处理具有复杂几何边界的问题且很容易作网格自适应，鉴于杏林湾排涝泵站工程几何形状较为复杂，因此将采用非结构化网格来离散复杂的计算区域。在网格划分过程中，对于几何尺寸较小的部位，进行局部网格加密处理。通过网格无关性验证分析，最终确定一套合理的计算网格。

图1 泵站初始方案泵装置进出水流道三维计算模型网格图

2.2 计算结果分析

通过对泵站初始方案的竖井贯流泵装置进行CFD数值模拟分析，获得如图1所示的三维流线图。由图可知，在设计工况下，竖井贯流泵进流均匀，随着进口流道过流断面的逐渐缩小，水流流速逐渐增加，通过竖井两侧流道内的水流流速分布较均匀，进水流道内没有出现明显的旋涡、回流等不良流态，水流能够较平顺的进入到水泵叶轮室内。水流经叶轮旋转作用后获得能量，先后通过导叶和出水流道，过流断面逐渐增大，水流流速逐渐降低；计算发现流出导叶的水流仍存在一定的速度环量使得出水流道内存在旋流，造成流速分布不均，如图2。为进一步分析贯流泵装置内的水流流态情况，沿过流断面和水平面分别选取了若干断面，断面位置如图3所示，其中水平截面H2为过叶轮中心的平面，H1和H3距离叶轮中心1.5m。

图2贯流泵装置内的三维流线图（流量：40m3/s）

图3贯流泵的叶轮和导叶三维模型

2.2.1 泵站进水流道内部流动分析

针对泵站初始方案竖井贯流泵装置进水流道内的流动情况进行分析，其中，图4所示的是进水流道内所选取的各断面的速度分布云图，图5为各水平截面的流线图。

图4贯流泵进水流道各断面速度分布云图

图5贯流泵进水流道各水平截面速度流线图

由以上关于进水流道的速度分布图可以发现，对于初步设计的泵装置进水流道，在设计流量工况下，在保证流道进口进流均匀的前提下，流道内的水流整体比较平顺，没有出现明显的脱流、旋涡等不良流态。经统计，叶轮进口前过流断面5的轴向流速均匀度为92%，加权平均偏流角为8°，能够满足水泵入流要求。

2.2.2 泵站出水流道内部流动分析

通过图2所示的泵站进出水流道三维流线图，发现出水流道内存在一定的旋流，下面根据所选取的几个典型断面，进一步深入分析出水流道内的流动情况。

针对杏林湾泵站用竖井贯流泵装置的出水流道内的流动情况进行分析，其中图6所示的是出水流道内所选取的各断面的速度分布云图。图7为各水平截面的流线图。

图6贯流泵出水流道各断面的速度分布云图

图7贯流泵出水流道各水平截面速度流线图

由上述出水流道各断面的速度分布图可以发现，对于原方案的泵装置出水流道，由于流出导叶体的水流仍然存在部分速度环量，造成导叶出口截面流速分布不均，虽然通过扩散型的过流通道，水流流速有所下降，但水流流动过程中形成旋流，同时在近壁区局部产生脱流等不良流态，容易造成水力损失增大，进而影响泵装置的水力性能，因此出水流道需要进行改善优化。

3 优化方案的泵装置内部流态研究

对于竖井贯流泵装置进出水流道内水流流态的数值模拟，在出水流道增设中隔墩，改善出水流道流道，初设方案中隔墩长度为8.0m。建立了竖井贯流泵装置三维几何模型，其计算网格如图8所示。

通过对竖井贯流泵装置内部的三维流场进行数值模拟计算，分析竖井贯流泵装置内部的水流流态，并针对存在的不良流态进行改善研究。其中，计算工况选用设计流量工况，即水泵流量40m3/s、叶轮额定转速117r/min。

图8竖井贯流泵装置的计算网格图

3.1 计算结果分析

通过对竖井贯流泵装置调整方案内部三维流场进行CFD数值模拟分析，获得如图9所示的泵装置内三维流线图。由图9可知，在设计工况下，竖井贯流泵进流比较均匀，进水流道内没有出现明显的旋涡、回流等不良流态，水流较平顺的流入到水泵叶轮室内。水流经旋转叶轮作用后获得能量，先后通过压出室进入出水流道，随着过流断面逐渐增大，水流流速也逐渐降低。从出水流道内的流速分布情况来看，如图10所示，流道出口的流速分布不均。

图9贯流泵装置内的三维流线图（流量：40m3/s）

图10 竖井贯流泵装置出水流道内的三维流线图和典型断面速度分布云图

3.2 竖井贯流泵装置出水流道的改善研究

由竖井贯流泵装置出水流道的三维流线及典型断面的速度分布图（图9和图10）可以发现，对于目前设计的泵装置出水流道，还存在一定不足：一方面由于流出导叶体的水流仍然存在部分速度环量，造成导叶出口截面流速分布不均且速度有旋；另一方面出水流道的扩散角偏大（角度为22°），容易造成流道边壁脱流。不良的流态不仅容易引起水力损失增大而影响泵装置的水力性能，另外还发现中隔墩两侧的流量分配不均，进而造成流道出口存在明显的偏流。因此，针对泵站出水流道，在不改变其外形结构尺寸的前提下，通过修改和分析中隔墩的长度变化对出水流道流态的改善效果，以期解决泵装置内存在的不利水力流动问题。修改方案一为13.25m，修改方案二为15.15m，修改方案三为15.25m。

图11所示的是中隔墩尺寸各修改方案的出水流道三维流线及典型断面速度分布云图。

图11中隔墩结构尺寸调整各方案的出水流态图

为了方便比较上述各修改方案的中隔墩两侧流量分配情况，在中隔墩两侧选取断面Plane1和Plane2，如图12所示，分别对这两个过流断面进行流量统计，对比分析上述修改方案两断面上的流量比（QPlane1/QPlane2）情况，具体参见表1。

图12中隔墩两侧的过流断面

表1中隔墩两侧断面的流量比

对于中隔墩各修改方案的出水流态（如图11）以及中隔墩两侧的流量分配情况（见表1）可以发现，相比其他方案，修改方案2，即中隔墩长度为15.15m，其出水流道内的水流流态较好、相对比较平顺，同时中隔墩两侧的流量分配也较为均匀。

4 结论

（1）对于杏林湾排涝泵站初始方案的竖井贯流泵装置，在均匀进流的条件下，进水流道内的水流流态较好，竖井两侧流道内的水流流速分布较均匀，进水流道内没有出现明显的旋涡、回流等不良流态，水泵进流均匀、平顺；流出竖井贯流泵导叶后的水流仍存在一定的速度环量，引起部分旋流，造成出水流道内水流速度分布不均；通过在出水流道内增设中隔墩，有助于改善泵站出水流道内水流流速分布不均的问题。

（2）对于杏林湾泵站调整方案，在均匀进流条件下，泵站进水流道流态较好，但由于流出导叶的水流仍具有一定速度环量且出水流道扩散角偏大，使得出水流道内存在不良流态，以及中隔墩两侧流量分配不均进而容易造成流道出口出现偏流问题.

（3）在保持中隔墩出口端不动的情况下，通过改变中隔墩的长度为15.15m时，能够有效改善出水流道内不利的水力流动问题，不仅出水流道内的水流流态得到一定改善，而且中隔墩两侧水流流量分配基本均匀，有助于保证泵站良好的出水条件。