卧式泵站竖井进水流道三面进水水力特性数值模拟

蒋红樱，颜红勤，肖忠明，成立，刘浩

(1. 江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京 210029； 2. 江苏省丹阳市九曲河枢纽管理处，江苏 镇江 212000； 3. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

大型泵站一般设置独立的进水流道以连接前池和水泵叶轮室，其功能是为水泵叶轮室的水泵带来稳定的进水流态，进而达到水泵叶轮对叶轮室进口提出的设计标准[1].竖井贯流泵设备在不同低扬程泵站中被普遍使用，体现出流道顺直，内部结构简便以及水力损失较少等优势[2-5].目前国内专家已开始优化和改善现有的进水流道，开展深入的分析和研究.杨帆等[6]主要分析了系列竖井型线的演变规则和对贯流泵设备内流机理和运作稳定性造成的作用.徐磊等[7]采用三维流动数值计算的方法，揭示了竖井贯流泵装置内、外特性存在的关系，拓展有关水力设计理论的知识.周亚军等[8]使用计算流体动力学方式，针对竖井贯流泵装置进、出水流道进行了CFD分析和水力设计优化；商邑楠等[9]对不同竖井线型参数下竖井贯流泵进水流道进行了三维数值模拟，展现了各方案进水流道出口断面的轴向速度分布、水平剖面的流线和压力分布，以及流道水力损失的状况.相比于传统竖井进水流道采用的双向进水形式[10-13]，三面进水流道进水面积更大.因此文中在前人的研究基础上对卧式泵站竖井三面进水流道进行数值模拟，采用CFD技术对矩形和流线型中墩下的三面进水流道进行数值模拟，并对其内部流态进行定量定性分析，以期为进水流道的水力设计提供理论依据，为同类型的泵站设计提供优化参考.

1 工程概况

某单向卧式引水泵站主要使用竖井式进水流道，预期引水流量100 m3/s，装置3台贯流泵机组，单泵预期流量是33.3 m3/s，单泵安装电动机功率1 600 kW，总装机容量4 800 kW，单泵叶片数为3，叶片角度为0°，导叶数为5片，泵站净扬程1.73 m，最高净扬程3.45 m，总扬程中考虑河道、拦污栅和门槽亏损0.25 m.

2 计算模型及数值模拟

2.1 计算模型及控制参数

在UG9.0软件中构建了卧式引水泵站的计算模型，整体叶轮直径D=3.2 m，单机预期流量是33.3 m3/s，因此贯流泵设备竖井进水流道的核心管理参数：流道进口宽度2.75D，进口高度1.53D，流道长度4.86D.主要包含进水延伸段、进水流道、叶轮等6个部分，其中进水延伸段和出水延伸段长度为2.60D，高度分别为上下游设计水位，叶轮和导叶段合计长1.20D，出水流道长5.80D.竖井贯流泵装置全流道计算模型如图1所示.

图1 竖井贯流泵装置全流道计算模型

2.2 数值模拟方法及边界条件

根据雷诺时均N-S控制方程以及RNGk-ε湍流模型，进行包括进水延伸段、进水流道、叶轮、导叶、出水流道、出水延伸段在内的贯流泵装置全流道CFD分析和水力设计优化.把进水延伸段进口当作完整计算域的进口，其中边界条件设计为质量流量进口，进口流量设置为33 300 kg/s；将出水延伸段出口作为整个计算域的出口，设为自由出流条件，参考压力为101 325 Pa；叶轮部分设置转速为131.82 r/min，不需要关注前池液面与空气产生的热交换以及热传导，针对液面使用刚盖假定，自由表面设计为对称边界标准；因此该区域的固体边界全部设计为壁面边界标准，固体壁面位置主要使用标准壁面函数处理，设置为无滑移边界条件(x，y，z方向的速度分量全部是0)；使用一阶迎风格式，收敛精准性是10-4，动静交界面使用冻结转子(Frozen Stator)模型，确保其中存在的连续性[14-15].

2.3 网格划分

把计算模型输入mesh网格分类中，使用六面体结构化网格完成整个网格划分工作，因此计算域y+值为30～500.进水流道网格节点数量为7.281万，叶轮网格节点数量为80.635万，导叶网格节点数量为105.975万，出水流道网格节点数量为5.973万.

通过网格无关性运算，在网络数量为208.764万时，整体水力亏损不存在任何变化，相对误差保持在±2%内，网格数量达到预期标准.网格剖分示意图如图2所示.

图2 计算网格示意图

3 进水流道设计

现采用具有较好水力性能的进水流道外轮廓型线，在此基础上对进水流道三向进水的情况进行优化设计.采用矩形和流线型2种不同的中墩线型，图3a为中墩的位置示意图，图3b,3c为流道的横剖面图，分别显示了矩形中墩和流线型中墩的型线，图3d为流道的A-A断面图，其中B为竖井流道进口宽度，b为中墩宽度，h为中墩高度.具体方案如表1所示，考虑机组安装，要求中墩高度h≤0.1B，现选取h=0.1B，考虑结构安全限制，要求中墩宽度b≥0.075B，通过改变中墩宽度b对不同线性下的三向进水流道进行数值模拟分析.

表1 各方案断面参数

4 结果分析

4.1 特征断面的选取

为深入研究优化之后竖井贯流泵设备实际流态，在进水流道中主要选择5个特征断面，当前断面1-1是进水流道进口断面、断面2-2是竖井头部断面、断面3-3是进水流道方变圆进口断面、断面4-4为竖井尾部断面、断面5-5为水泵叶轮进口断面，断面具体位置如图4所示.

图4 进水流道典型断面位置示意图

4.2 特征断面轴向速度分析

图5为各方案在设计工况下进水流道三维流线图及各特征断面速度云图，图中va为流道轴向流速.通过观察，其中断面1-1并无明显变化；断面2-2总体分布趋势为左右对称分布；断面3-3流速减小，因采取三向进水的流道模型，过流断面面积增大，流速相应减小；断面4-4轴向流速分布通常体现为左右对应的分布情况，此处表现为接近壁面边界的速度更低，和现实状况相符合；断面5-5因为受竖井端部收缩以及叶轮旋转的作用，水泵进口断面上的流速主要在过水断面4个方向上，且体现出不对称的特征.方案4，5，6因采用流线型中墩，断面1-1，2-2和3-3的流速略低于采用矩形中墩的方案.

图5 进水流道三维流线图及各特征断面速度云图

总体上，各方案进水流道进口处流速大致呈对称分布，流速不高；在步入竖井段之后，水流通过竖井前行，体现出弯曲的特征；在收缩段部分，随着过水断面面积减小，流速逐渐加快，左右基本对称.6类不同竖井进水流道内部流动相对匀称，没有出现脱流、旋涡，水泵入口水流环境更好，可以为水泵带来稳定的进水条件.

图6为泵装置进口断面的压力云图，图中p为断面上的压力大小.从图中可以看出,在泵进口断面上，随着中墩宽度b的变化方案1-3进口压力分布变化不大；相比于矩形中墩，流线型中墩泵进口断面压力在上下左右4个方向上并不完全对称，四周偏小，随着中墩宽度的减小，四周压力逐渐分布均匀，当b=0.075B时，流线型中墩泵进口断面上的压力分布较矩形中墩更为均匀.

图6 泵进口断面压力云图

图7为不同宽度以及不同线型下进水流道各断面平均流速，图中vi为断面平均流速.从图中可以看出，在不同宽度的中墩下，流线型中墩的方案所对应的断面3-3的流速均大于矩形中墩对应的方案，流速变化趋势基本一致.对比不同线型下的各方案可以发现，由于随着宽度的减小，过水断面面积增大，断面3-3的流速随着宽度的减小而增大，相比于矩形中墩，流线型中墩下各方案断面流速变化更为明显.

图7 各方案进水流道断面平均流速

4.3 水力性能分析

为深入分析不同方案对进水流道水力损失以及设备效率造成的作用，根据式(1)确定设计工况下6类方案进水流道的水力损失Δh.计算结果见表2.

(1)

式中：pin为进水流道进口处压强；pout为进水流道出口处压强；ρ为水的密度，取1.0×103kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2.

为了研究进水流道内流场性质，选取了进水流道出口断面5-5为特征断面，分别通过式(2)和式(3)计算出断面上的轴向流速分布均匀度和速度加权平均角.

为了评价各断面上的轴向速度分布均匀程度，可由式(2)算出轴向速度分布均匀度Vau，即

(2)

式中：vai为进水流道出口断面各网格节点上的轴向速度，m/s；va为进水流道出口断面平均轴向速度，m/s；n为节点的数目.

(3)

式中：θ为进水流道出口断面速度加权平均角；vti为流道出口断面各计算单元的横向速度.计算结果见表2所示.

表2 进水流道主要水力性能参数计算结果

通过CFD计算发现，矩形中墩对应方案1-3的流速分布均匀度、速度加权平均角都略低于流线型中墩对应方案4-6，方案6流速分布均匀度最高达到79.57%，速度加权平均角为79.97°；随着中墩宽度b的减小，过水断面面积逐渐增大，不同线型的流道其流速分布均匀度和速度加权平均角逐渐增大.矩形中墩方案流道水力损失相比于流线型中墩方案均偏大，但相差较小，最小为方案6的流道水力损失为0.049 m.

5 结 论

1) 数值模拟了不同线型中墩以及不同宽度中墩对应的进水流道在设计流量工况下的流动规律，发现采用流线型中墩较矩形中墩可以获得更好的流态.

2) 流道的断面变化情况将影响到流道的水力损失性能.随着b的取值从1.250B减小到0.075B，过水断面面积逐渐增大，各方案流速分布均匀度和速度加权平均角逐渐增大.当b=0.075B时，流速分布均匀度以及速度加权平均角最高.

3) 不同方案竖井进水流道的流态相对匀称，流动整齐，水力亏损不大，水泵进口断面轴向流速分布相对匀称，都可以达到竖井贯流泵设备正常稳定运作的标准.从水泵机组简便安装、维护方便的层面着手，最好选择b=0.075B的流线型中墩.