竖井式贯流泵进出水流道优化CFD仿真计算

(1.四川水利职业技术学院,四川 崇州 611231; 2.河南省水利勘测设计研究有限公司,郑州 450016)

0 引言

竖井贯流泵装置将电机、齿轮箱安装于钢筋混凝土竖井内[1],由于这种安装形式具有进出水流道顺直、水力损失小、工程投资少、泵站装置效率高、结构简单等多重优点[2],因此,被广泛应用在各种低扬程泵站中。周亚军等[3]对竖井贯流泵装置进出水流道进行数值模拟,分析提出一种最优底部上翘角的出水流道优化设计方案;孙衍等[4]采用三维湍流数值计算的方法,提出竖井式贯流泵装置出水流道型线、进水流道高度宽度及型线等的优化设计方案;陈松山等[5]通过泵装置能量特性试验得出竖井进水流道渐缩段采用椭圆型线有较好的性能;颜红勤等[6]采用CFD技术对卧式泵站直管式出水流道不同型线进行数值模拟计算,对比得出不同方案下出水流道流态和水力损失影响;伴随着计算流体力学(CFD)的长足发展,CFD技术更多地应用于研究泵装置的优化设计[7];王福军等[8]总结了泵站内部流动分析过程中的各种模型,对水泵流动分析方法的最新研究成果进行总结;陈加琦等[9]采用三维湍流数值模拟深入研究了不同工况下竖井贯流泵装置水力特性;Lu et al[10]通过数值模拟对进水流道内部流动的水力特性进行预测和分析,优化进水流道的设计;朱红耕等[11]运用数值计算方法模拟泵站进水流道内部三维紊流,从而定性分析流道内部流态,计算出流道水力特性指标,进而优选出进水流道设计方案;关醒凡等[12]在对贯流泵装置模型优化设计的基础上展开模型试验,试验结果表明贯流泵的性能指标比普通立式轴流泵更具优势,以此对实际工程总的泵站方案预选提供参考;杨雪林等[13]结合竖井贯流泵装置流道的三维数值模拟优化流道型线和模型试验结果的验证,表明优化后的水泵装置效率较高,并且水力性能较好;施伟等[14]经过CFD和模型结果对比分析不同叶片角度下输水泵站泵装置的流动特性,指出在运行工况变化较大采用变角调节时要进行分析和优化;周春峰等[15]就竖井长度、头部和尾部型线对进出水流道的水力性能影响进行研究,并用模型试验验证了数值模拟结果的可靠性。

本文的研究基于引江济淮工程(河南段)赵楼竖井式贯流泵站,应用CFD技术对泵站进、出水流道,叶轮,以及导叶内的流动进行三维紊流数值模拟,比较确定进出水流道优化方案,为大中型竖井式泵站的进、出水流道优化提供理论参考。

1 泵站基本参数和优化目标

1.1 基本参数

赵楼泵站安装竖井贯流泵机组4台套,叶轮直径2 350 mm,叶轮转速135 r/min,设计单机流量14 m3/s,本研究基于整体泵装置应用CFD技术对赵楼泵站进、出水流道,叶轮,以及导叶内的流动进行三维紊流数值模拟,揭示泵装置全流道水流流态及流动状况,优化进出水流道,并预测其水力性能。

1.2 流道水力优化目标

泵站进出水流道形式需要结合泵型、泵房布置、泵站扬程及进出水池水位变化幅度等因素进行确定。

1.2.1 进水流道水力优化目标

根据《泵站设计规范》(GB 50265-2010)要求[16],泵站进水流道布置应符合下列规定：

(1)流道型线平顺,各断面面积沿程变化应均匀合理;

(2)出口断面处的流速和压力分布应比较均匀;

(3)进口断面处流速宜取0.8 ～1.0 m/s;

(4)在各种工况下,流道内不应产生涡带。

1.2.2 出水流道水力优化目标

泵站出水流道布置应符合下列规定[15]：

(1)与水泵导叶出口相连的出水室形式应根据水泵的结构和泵站总体布置确定;

(2)流道型线比较均匀,当量扩散角宜取8°～12°;

(3)出口流速不宜大于1.5 m/s,出口装有拍门时,不宜大于2.0 m/s。

2 计算参数及边界条件

图1为赵楼泵站计算实体造型,包括进水延长段、进水流道、闸门槽、叶轮、导叶、出水流道、闸门槽和出水延长段。其中,进出水延长段根据进水池及出水池的设计水位来确定。叶轮直径为2 350 mm,叶片数为3片,导叶数为6片。

图1 赵楼泵站全流道计算实体造型

本次计算采用分块网格计算,对复杂的计算模型进行分块并采用不同的网格剖分方法。叶轮和导叶结构复杂,其中,流场变化急剧,特别是叶轮,属于旋转部件,其网格的质量好坏会影响到计算结果的精确度,因而对叶轮和导叶采用自动网格剖分。在本次CFD计算分析中,在边界层处部分物理参数存在梯度变化很大的情况,因此,需要对进出水流道边界层处设置膨胀层以加密网格,从而能够更精确地描述这些参数。最终,叶轮网格数为507万,导叶为392万,整体网格数量为1 875万。

本次计算分别取进水延长段进口和出水延长段出口为整体计算域的进口和出口,进口边界条件和出口边界条件分别采用流量进口和压力出流,进出水延长段水面采用刚盖假定设置为symmetry。计算格式为一阶迎风,收敛精度为10-4。本次计算流量范围为8.4～18.2 m3/s。

3 性能预测模型

根据伯努利能量方程计算泵装置净扬程,泵装置进水流道进口1-1与出水流道出口2-2的总能量差定义为泵站扬程,用式(1)表示：

(1)

等式右边第一项为静压能水头差;第二项为高程差;第三项为动能水头差。

由式(1)计算得到流速场和压力场,叶轮上左右的扭矩TP则可通过数值积分计算得来,由此,可预测泵装置的效率。

因此,水泵装置的效率为：

(2)

式中,TP为扭矩,ω为叶轮角速度。

4 计算方案

由于原型出水流道断面收缩均匀,水力损失较小,而进水流道相较出水流道水力损失较大,而且进水流道出口与叶轮进口相衔接,所以,进水流道出口断面流速均匀度及出流加权平均角的优劣对水泵性能的发挥较为重要。

本次流道CFD优化主要针对进水流道原型方案进行优化,其中,方案1为原型方案,原型方案进水流道进口流速经计算结果为0.83 m/s,符合规范要求。由于赵楼泵站进水流道内部需要设置超声波流量计进行测流,而超声波流量计对测试断面变化均匀度及流态有要求,所以,初步考虑将超声波流量计安装在进水流道闸门槽后方。为了保证超声波流量计测试断面变化规则,提高流量计测试精度,考虑在竖井中心位置不变情况下,将竖井头部整体后移,从而形成方案2;为了进一步压缩竖井头部空间,将竖井头部外轮廓线由渐变收缩曲线改为圆弧,从而形成方案3;方案3中竖井头部及尾部形状都设计成圆弧,考虑到竖井头部及尾部圆弧段处断面过渡较剧烈,将方案3中尾部圆弧段改为渐变收缩曲线,从而形成方案4;在保证超声波流量计安装及测流空间不变情况下,对方案4头部进行优化,由圆弧段改为渐变收缩曲线,从而形成方案5。

原型出水流道断面面积过渡较为均匀,型线也较为均匀。同时,经计算可知,原型出水流道当量扩散角为8.03°,出水流道出口流速为0.83 m/s,符合规范要求。所以采用原型设计出水流道方案进行计算分析。

具体方案见表1。

表1 方案对比

赵楼泵站进水流道设计方案如表2所示。

表2 赵楼泵站进水流道设计方案

表3为各方案下泵站轴流泵段(叶轮进口断面前-导叶出口断面后)的水力性能。对比5个方案,其中,方案2、方案3及方案5扬程稍高,效率方面方案1最优,其次是方案2。方案4及方案5由于将竖井尾部改为渐缩曲线,相当于延长了竖井尾部长度,导致叶轮轴功率增大,效率降低。综合考虑泵段性能及超声波流量计安装要求,方案2最优。 表3 设计流量工况下泵段的能量特性

5 流道优化结果分析

5.1 进水流道水力优化分析

5.1.1 进水流道流态分析

在不带泵工况下,对不同方案进水流道进行五个流量工况下的数值模拟计算,并对进水流道内部流态、水力损失、进水流道出口断面流速均匀度及加权平均角进行分析。

图2为方案1分别在8.4 m3/s、11.2 m3/s、14 m3/s、15.4 m3/s、18.2 m3/s流量工况下进水流道内的三维流线示意。结果表明,在各流量工况下,方案1中进水流道内流线均较为平顺,随着流道型线收缩,流道内流速逐渐增大,流道内未发现不良流态,但竖井尾部由于圆弧段收缩较快,断面过渡稍剧烈,流速存在一定的突降。

(a)流量8.4 m3·s-1

(e)流量18.2 m3·s-1

图3为方案1分别在8.4 m3/s、11.2 m3/s、14 m3/s、15.4 m3/s、18.2 m3/s流量工况下进水流道断面流速分布云图。计算表明,在各流量工况下,方案1中进水流道内竖井段断面流速分布呈现出左右对称,水流在进入竖井段后的圆环形流道断面后,断面流速上下及左右都对称分布。随着进水流道断面面积减小,流速逐渐增大,进水流道出口断面流速分布较均匀。

(a) 8.4 m3·s-1

(e) 18.2 m3·s-1

结果表明,5个方案中进水流道内流线均较为平顺,随着流道型线收缩,流道内流速逐渐增大,流道内未发现不良流态。原型方案、优化方案1竖井尾部由于圆弧段收缩较快,断面过渡稍剧烈,流速存在一定的突降;优化方案2较原型方案、优化方案1竖井头部由渐变收缩变为圆弧收缩,断面过渡较剧烈;优化方案3较优化方案2竖井尾部改为渐缩曲线,可以看出竖井尾部过渡更为均匀,流速分布较均匀;优化方案4相较优化方案3,由于竖井头部也改为渐缩曲线,可以看出竖井头部及尾部过渡更为均匀,流道内流线流速分布更均匀。

计算表明,5个方案中进水流道内竖井段断面流速分布呈现出左右对称,水流在进入竖井段后的圆环形流道断面后,断面流速上下及左右都对称分布。随着进水流道断面面积减小,流速逐渐增大,进水流道出口断面流速分布较均匀。优化方案2竖井头部断面及尾部断面流速分布与原型方案及优化方案1相比稍不均匀,进水流道出口断面上下部分出现流速分布不对称;由于优化方案3竖井尾部改为渐缩曲线,相比之前3个方案竖井尾部断面流速分布,尾部断面面积减小,流速更大,尾部断面流速出现不均匀;优化方案4相较优化方案3由于竖井头部也改为渐缩曲线,所以竖井尾部流速变化更加均匀对称。

5.1.2 进水流道水力性能分析

(1)水力损失

图4为不同进水流道优化方案在8.4 m3/s、11.2 m3/s、14 m3/s、15.4 m3/s、18.2 m3/s流量工况下进水流道水力损失对比。由图4可知,方案5由于竖井头部及尾部型线为渐缩曲线型式,所以断面过渡更均匀,流道水力损失也更小。方案3由于竖井头部及尾部型线为圆弧曲线型式,断面过渡更剧烈,所以损失最大。

图4 不同进水流道优化方案水力损失对比

图5 不同进水流道优化方案出口断面轴向流速分布均匀度对比

图6 不同进水流道优化方案出口断面速度加权平均角对比

(2)轴向速度分布均匀度

根据计算和模拟结果,对比5个不同方案下进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度可以发现,5个方案的进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度相差不大,其中在设计流量14 m3/s工况下,方案2的轴向速度分布均匀度为93.33%,为5个方案之中最好;方案1的轴向速度分布均匀度则相对较差,为92.86%。

(3)速度加权平均角

根据计算和模拟结果,对比5个不同方案下进水流道出口断面的速度加权平均角可以发现,5个方案的进水流道出口断面的速度加权平均角相差不大,其中,在设计流量工况下,方案1的速度加权平均角最好,为87.02°;方案3的速度加权平均角相对较差,为86.78°。主要由于方案1中进水流道的竖井长度最长,水流角度调整最好,所以方案1的速度加权平均角最优。

综上所述,对比5个不同的进水流道方案水力特性可以发现,5个方案的进水流道内部水流流态都较均匀。但对比5个方案的水力损失可以看出,方案1的流道水力损失最大,方案5的流道水力损失最小,其次是方案4,主要是因为方案4和方案5竖井尾部采用渐缩曲线型式,能够较好调整水流流态;对比5个方案的流道出口轴向速度分布均匀度可以看出,方案2最优,方案1最差;对比5个方案的流道出口速度加权平均角可以看出,方案1最优,方案3最差,但由于流道内需要安装超声波流量计,所以需要尽可能减小竖井长度对流量计的影响。综合考虑,未带泵工况下,方案2和方案5中进水流道水力性能更优。

5.2 出水流道水力优化分析

图7为出水流道在设计流量14 m3/s下内部水流流态。由图7可知,出水流道内部水流流态较好,速度分布较均匀,经计算,出水流道在设计流量下水力损失为0.096 m。综上所述,出水流道型线合理,水力性能较优。

(a)流线图

(b)速度云图

5.3 泵段能量性能预测

6 结论与建议

(1)通过分析方案2进水流道平均流速及断面面积变化曲线图,方案2断面面积及断面平均流速变化均匀。同时,对比不带泵工况下5个进水流道方案的水力特性,方案2和方案5的综合性能较优。综合5个进水流道方案下的泵段性能分析,方案2综合性能最优,方案1效率较高,但是方案1竖井长度较长,容易影响超声波流量计测试精度,同时,考虑土建,竖井长度可缩短。方案2的泵装置设计流量下净扬程及效率满足要求,故推荐方案2进水流道型式。

(2)方案2进水流道总体水力性能较好,来流均匀,水力损失较小,流道出口断面轴向速度分布均匀度达93.33%,出口断面速度加权平均角达86.90°。

(3)通过分析原型出水流道平均流速及断面面积变化曲线,出水流道的断面面积及断面平均流速变化均匀,并且水力损失较

小。综合出水流道水力特性来看,原型出水流道水力性能较优,故推荐原型出水流道型式。

综上所述,建议进水流道采用方案2型式,出水流道采用原型方案。