箱涵式出水流道设计参数对泵装置性能的影响研究

蔡一平,李进东,袁 尧,李大亮,韩 逸,石丽建

(1.江苏省水利科学研究院,南京 210000;2. 南京市水利规划设计院股份有限公司,南京 210000;3.扬州大学 水利科学与工程学院,江苏 扬州 225009)

1 概 述

箱涵式泵装置是一种可以兼顾调水和排涝、实现双向抽水功能的泵装置型式,在我国平原地区低扬程泵站工程中使用较多[1-3]。 王欣宇[4]等研究了不同导叶参数对箱涵式轴流泵装置水力性能的影响,结果表明导叶相对位置对泵装置的效率和导叶体的水力损失影响较大。 彭兵[5]等采用CFD 方法,针对南京永宏泵站双向箱涵式出水流道进行了优化设计,结果表明提高喇叭管的高度有助于导叶出口水流的扩散,降低出水口的流速,减小水力损失,进而提高泵装置的效率。金海银等[6]以江苏省江边枢纽泵站的箱涵式双向立式轴流泵装置为研究对象,采用物理模型试验方法,对箱涵式双向立式轴流泵装置模型开展了能量性能、汽蚀性能及飞逸性能试验,并采用数值模拟技术,分析了泵装置内部流动特征。 单陆丹等[7]根据泵装置选型原则,结合泵站大流量、低扬程的特点,从效率、运行管理、设备制造及安装等方面进行了方案比选,优选出轴流泵配箱涵式双层进出水流道的泵装置结构方案。 王朝飞等[8]基于RNGk-ε紊流模型和雷诺时均NS 方程,运用CFD 商用大型软件,对箱涵式进出水流道立式轴流泵装置进行了三维流动仿真计算及水力特性的优化设计。

目前,针对箱涵式泵装置的相关研究交过多[9-11],但有关箱涵式出水流道设计参数对泵装置性能的影响研究较少。 而箱涵式流道设计尺寸不但影响泵装置的水力性能,还影响整个泵站的工程投资。 因此,针对箱涵式出水流道设计参数对泵装置水力性能的影响研究具有重要的理论意义,本文的研究成果可为箱涵式泵站出水流道的设计提供参考。

2 三维建模及数值计算方法

2.1 计算模型

泵装置内部三维流场数值模拟对象包括进水流道、叶轮、导叶、出水流道的箱涵式立式轴流泵装置。 泵装置设计流量Q=33.4m3/s,叶轮转速n=100r/min,叶轮直径D=3.45m,叶轮叶片数3 片。 泵装置采用箱涵式双层流道泵装置,该泵装置可同时实现引水和排涝两种运行状态。 箱涵式泵装置整体部分包括进水流道、轴流泵叶轮、导叶体和出水流道共4 个部分,见图1。

图1 箱涵式轴流泵装置计算模型

采用CFD 商用大型软件,基于标准k-ε紊流模型,计算区域网格剖分数量满足网格无关性要求。 采用UG 与ANSYS ICEM CFD 软件,对进水流道和出水流道进行实体建模与网格剖分。 采用ANSYS TurboGrid 软件,对叶轮和导叶体进行实体建模与网格剖分,原型泵建模时考虑了叶顶间隙的影响,叶顶间隙设置为1.725mm。

2.2 控制方程与紊流模型

泵叶轮内部流动是三维非定常紊流流动,但在水泵稳定运行(转速恒定)后,可认为叶轮相对运行是定常流动。 控制方程的离散采用基于有限元的有限体积法,扩散项和压力梯度采用有限元函数表示,对流项采用高分辨率格式(High Resolution Scheme)。 流场的求解使用全隐式多重网格耦合方法,将动量方程和连续性方程耦合求解,克服了传统SIMPLE 系列算法需要“假设压力项-求解-修正压力项”的反复迭代过程,同时引入代数多重网格技术,提高了求解的稳定性和计算速度。

泵装置内部流动介质为水,可简化为不可压缩的牛顿液体,采用的控制方程为雷诺平均N-S方程。 紊流模型采用标准k-ε紊流模型,该模型修正湍流黏度考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况,能更好地处理高应变率及流线弯曲程度大的流动。

2.3 计算参数与边界条件

直接对原型泵装置进行分析,泵装置数值计算区域包括进水流道、叶轮、导叶体及出水流道。

1)进口边界条件。 整个泵装置作为数值模拟的计算域,将进水流道的进口作为整个泵装置的进口,进口边界条件采用总压进口条件,总压设置为一个标准大气压。

2)出口边界条件。 将出水流道的出口作为整个泵装置计算流场的出口,出口边界条件采用质量流量出口。

3)壁面条件。 紊流模型不适用于壁面边界层内的流动,所以需对壁面进行处理,才能保证模拟的精度。 泵装置的进出水流道、叶轮的外壳及导叶体均设置为静止壁面,应用无滑移条件,近壁区采用可伸缩壁面函数。

4)交界面设置。 交界面类型设置,对于叶轮与导叶、进水流道与叶轮的动静交界面采用速度平均的stage 模型,其他交界面类型采用None模型。

3 出水流道尺寸设计及结果计算

进行箱涵式流道设计时,主要考虑流道的高度、宽度和长度尺寸要求。 采用DOE 方法进行试验选优,针对进出水流道,采用三因素五水平方法,见表1。

轴流泵叶轮的直径为3.45m,转速为100r/min,改变进出水流道尺寸时,进水流道喇叭管悬空高保持不变,出水流道喇叭距离流道顶部高程保持不变。 通过CFD 数值模拟计算,得到各种组合方案在设计流量工况下的箱涵式流道泵装置计算效率,见表2。

表2 正交试验表——实验设计和实验结果分析

根据表2 正交试验设计方案可知,经过CFD计算之后,不同流道尺寸参数得到的效率差别较大。 其中,方案20 的泵装置效率最低,仅有68.62%;而方案11 效率最高,达到73.64%;最高效率与最低效率差别达到5.02%。 由此可见,箱涵式进出水流道的长度、宽度和高度对效率的影响较大,需综合考虑这3 个参数的设计。 根据正交试验分析可知,流道高度对效率的影响最大,流道宽度对效率的影响次之,而流道长度对效率的影响最小。 在箱涵式流道泵装置的尺寸参数设计时,应着重考虑流道宽度和流道高度。

将正交试验结果各设计因素用趋势线表示,见图2。

图2 计算效率与设计参数之间的趋势曲线

从图2 可以看出,就单一影响因素而言,流道高度对装置效率的影响最大,可以影响装置效率2%左右;流道宽度对装置效率影响也接近2%。 总体上,流道越宽,效率越高;流道越高,效率越高。 对应的优组合为宽度取2.855D,长度取11.45D,高度取1. 35D(对应方案11)。 也就是说,单从泵装置效率的角度而言,在箱涵式流道设计时,流道宽度越宽、流道高度越高,所得到的箱涵式泵装置效率越高。 但实际工程中,流道宽度越宽,整个泵站的平面尺寸增大;流道越高,泵站的开挖深度越深,进而导致泵站造价升高。 因此,实际泵站工程中箱涵式流道尺寸需要综合考虑流道尺寸和工程造价。 取优组合方案(方案11)和方案20 进行流道壁面压力云图进行对比,见图3。

图3 出水流道壁面压力分布云图

根据图3 可知,两个方案的出水型式基本都是四周出水,并没有单侧出水的不良情况。 但在流道出水方向,方案11 流道上的压力相较于方案20 要高一些。 这是由于方案11 的流道宽度和高度均大于方案20,导叶出来的水流在方案11的喇叭管中扩散更充分,回收的水流速度环量更多,使方案11 在流道出口方向上压力偏高,流速相对小一些,这也是方案11 的流道水力损失较小、泵装置效率较高的原因。

4 结 论

本文采用DOE 试验设计和CFD 数值计算方法,得到了25 种不同尺寸的出水流道箱涵式泵装置设计方案和CFD 模拟结果。 其中,方案11箱涵式泵装置效率最高,达到73.64%,最高效率与最低效率差别达到5.02%。 根据正交试验分析可知,箱涵式泵装置出水流道高度对效率的影响最大,宽度对效率的影响次之,而流道长度对效率的影响最小。 结果表明,流道宽度越宽、流道高度越高,导叶出来的水流扩散更充分,同时可以回收更多速度环量,进而提高了泵装置的运行效率。