潜水轴流泵流程CFD分析及结构优化

2019-12-04王婷婷潘绪伟成志超仝妍妍

治淮 2019年11期

王婷婷潘绪伟成志超仝妍妍

（1.宿迁市水务勘测设计研究有限公司宿迁 223800 2.合肥凯泉电机电泵有限公司合肥 230000 3.江苏省皂河船闸管理所宿迁 223800）

1 概述

船行二站泵站位于宿迁市宿城区，泵站安装4 台1400QZ-70-(-2)-560 的潜水轴流泵机组。泵站的装置效率与进水前池的形状、泵放置的位置、泵的流道及出水池有密切的关系，进出水流道约束进出水水流流速、流态，如果设计不合理，水流会在逆压力梯度作用下，产生脱流和回流，造成水流紊乱和不必要的损失，进而影响泵站的装置效率。本文探讨利用CFD 技术模拟计算，预测泵站的内部流态并优化进出水流道结构。

2 泵站计算模型

船行二站泵站单泵设计流量5.6m3/s，扬程7.61m，泵转速370r/min，单机功率560kW，泵站选用矩形进水前池与出水池，进水流道采用簸箕式流道，圆管接出水池出水。

由于泵站几何复杂，相互间存在配合问题，为了在造型过程中减少几何损失，准确模拟泵站真实形状，采用cero2.0 对全流道三维建模，用ICEM 对其进行网格划分，进而对泵站进行三维定常数值模，计算软件采用CFX14.0。物理计算模型如图1所示。

3 计算网格

网格划分是CFD 前处理中举足轻重的一步，ICEM CFD 能实现边界自动加密及网格自查，故采用自适应性较强的四面体网格对各个部件（除导叶外）部件进行网格划分计算域，为了准确模拟内部流动，提高计算精度，并对局部区域做加密处理，网格数量见表1。

4 数值计算

4.1 控制方程

流体的流动控制方程是模拟泵内部流动的基础。

连续性方程：

动量方程：

定义流体湍动耗散率ε为：

与湍动能、耗散率对应的运输方程：

图1 整体计算物理模型图

表1 网格数量表

图2 泵站流线俯视图

图3 泵站流线仰视图

图4 泵组流道流线图

图5 泵组的压力云图

4.2 计算边界条件

在数值计算之前，对水泵进行边界条件的设置，将流体域网格导入CFX15.0，泵壁面粗糙度采用0.05mm，对动静交界面采用“冻结转子法”进行耦合。残差值是衡量数值计算是否收敛的重要指标，残差值设置越小则计算结果越准确，且同一网格文件在不同工况下的收敛速度有差别，故设置残差值的收敛精度为10-4以下。计算边界条件见表2。

5 CFD 计算结果分析

由于该泵站对泵组的使用方式为用3 备1，所以将这4 组泵进行编号，分别为1，2，3，4。本次在设计流量点进行了4 种方案计算，方案1 为编号1，2，3 的泵运行，4 号泵留作备用；方案2 为编号1，2，4 的泵运行，3 号泵留作备用；方案3 为编号1，3，4 的泵运行，2 号泵留作备用；方案4 为编号2，3，4 的泵运行，1 号泵留作备用。

5.1 计算流线图

从图2和图3的泵站流线俯视图和仰视图可以看出，不同机组的运转方案下泵站流线分布呈现完全不同的规律，其中在方案4 的运行方式下，泵站的前池和出水池流体的流态较方案1、2、3 的要平顺的多；方案2 和方案3 机组的运行方式对泵站前池和出水池流体的流态产生较大的不利影响，不建议采用这两种组合方式起泵运转；出水池无论在哪种方案下运行机组都会使其中的流体流动紊乱，有大量涡存在。

从图4泵组流道的流线图可以看出，无论采用哪种方案运行机组，泵站的簸箕型进水流道流线分布均匀，水流平顺，规则有序；泵组的出水流道整体上流动平顺，但在流动在改变方向时有漩涡存在，越过三通位置时存在空白区域，建议在水流改变方向的三通处倒大圆角。

5.2 计算压力云图

图5为设计流量工况下的泵组的压力分布云图。从中可以看出泵站的压力分布规律基本相同，在泵站前池的压力最低，泵组的压力由于叶轮做功的缘故开始增大，在三通管拐弯位置处压力达到最大值，流体流过拐弯位置后，压力逐渐降低。从图中可以看出泵站机组的不同组合的运行方式，泵体内压力分布不同，增压效果从高到低的排序为方案2、方案3、方案1 和方案4，说明泵组不同的组合运行方式对泵站流体会产生较大影响。

5.3 湍动能图

图6 泵站前池湍动能分布图

图7 泵站出水池湍动能

从图6和图7可以看出，运转泵机组的组合方式不同，对泵站的前池和出水池的湍动能分布范围有较大的影响。按其影响大小进行排序为方案2 的湍动能分布范围大于方案3 的分布范围，方案3 的分布范围大于方案1 的分布范围，方案1 的分布范围大于方案4 的分布范围；前池和出水池的湍动能分布范围都较大，建议将泵站前池和出水池的导流板延长，用以减缓流体流动的紊乱程度。