豎井貫流泵裝置流道水力性能分析

楊雪林,黃 毅,陳國(guó)標(biāo)

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,上海 200434)

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)的地表水和淺層地下水資源總量豐富,但人均占有量相對(duì)較少,且時(shí)空分布不均勻。為了充分利用水資源,更好地為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù),我國(guó)興建了大批機(jī)電排灌泵站工程。在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的華東、華南地區(qū),地勢(shì)平坦,區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水系發(fā)達(dá),建設(shè)有大量的低揚(yáng)程排灌泵站。由于豎井貫流泵裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝及運(yùn)行維護(hù)方便,通風(fēng)、防潮條件良好,工程投資較少的優(yōu)點(diǎn),能夠適應(yīng)平原地區(qū)排灌工程發(fā)展的需要。近年來(lái),該泵型在平原地區(qū)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

國(guó)內(nèi)低揚(yáng)程泵站裝置效率一般不高,一是缺少設(shè)計(jì)揚(yáng)程低、氣蝕性能好的模型泵;二是泵裝置流道內(nèi)流速均勻度不高,泵段入流的偏流角度過(guò)大,因此進(jìn)、出水流道的水力損失相對(duì)較大[1]。本文以某大型豎井貫流泵站為例,進(jìn)行水泵裝置流道的三維數(shù)值模擬分析,并對(duì)進(jìn)、出水流道型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以獲得水力性能較好的型線方案。泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程0.9 m,最低凈揚(yáng)程0.0 m,最大凈揚(yáng)程2.2 m,裝設(shè)轉(zhuǎn)輪直徑3.0 m,轉(zhuǎn)速95 rpm,單泵設(shè)計(jì)流量25 m3/s的豎井貫流泵組。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

對(duì)流道型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)采用近年來(lái)發(fā)展迅速的CFD技術(shù)及目前工程上廣泛應(yīng)用的Fluent軟件對(duì)泵站的進(jìn)、出水流道進(jìn)行全三維流場(chǎng)分析,了解流道內(nèi)流速及流態(tài)分布規(guī)律,對(duì)型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后再行計(jì)算,最終得到較為合理的進(jìn)、出水流道型線[2]。數(shù)模計(jì)算可解決水泵模型試驗(yàn)中流道型線不便修正的難題,在很大程度上減少試驗(yàn)工作量、縮短研究周期,提高研究水平。

本文數(shù)值模擬計(jì)算采用應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)模型;進(jìn)、出水邊界條件分別為速度、自由出流;計(jì)算區(qū)域的離散采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,不規(guī)則結(jié)構(gòu)物表面采用三角形網(wǎng)格;離散過(guò)程中,采用二階迎風(fēng)差分格式;計(jì)算采用SIMPLEC算法,數(shù)模計(jì)算實(shí)踐證明,該算法的收斂速度和計(jì)算精度均良好。

3 流道型線優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬針對(duì)某泵裝置進(jìn)水及出水流道進(jìn)行。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是為水泵提供良好的進(jìn)水條件,同時(shí)盡量減少流道的水力損失;出水流道優(yōu)化的主要目標(biāo)則是降低水力損失。

圖1 泵站進(jìn)水流道初始型線圖

圖2 泵站進(jìn)水流道優(yōu)化后型線圖

3.1 泵站進(jìn)水流道型線優(yōu)化

進(jìn)水流道設(shè)計(jì)采用流速控制流道斷面面積的設(shè)計(jì)方法[3],即保證平均流速沿程均勻變化,斷面面積沿程的變化連續(xù)均勻,流道型線光滑,矩形斷面圓角采用最優(yōu)圓角設(shè)計(jì)法。由圖1可以看出,進(jìn)水流道的收縮段與水泵入口錐管的連接不夠平滑,連接處附近出現(xiàn)了脫流區(qū)(見(jiàn)圖3),造成了較大的水力損失。為避免脫流對(duì)流道內(nèi)流態(tài)分布造成的不利影響,保持初始型線各控制尺寸不變,僅將收縮段與出口錐管部分進(jìn)行順滑過(guò)渡連接。經(jīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算可知,優(yōu)化后的型線方案流道內(nèi)基本消除了脫流現(xiàn)象,流速分布的均勻度也得到了明顯的提高(見(jiàn)圖4)。

圖3 初始方案泵站進(jìn)水流道水平斷面速度分布圖單位:m/s

圖4 優(yōu)化后泵站進(jìn)水流道水平斷面速度分布圖單位:m/s

數(shù)模計(jì)算的結(jié)果表明,初始方案軸向流速的均勻度為96.2%,經(jīng)優(yōu)化后提高為98.5%;初始方案的進(jìn)水流道水力損失為0.107 m,經(jīng)優(yōu)化后降至0.078 m;進(jìn)水流道出口偏流角由4.36°減小至3.24°。因此,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的進(jìn)水流道水泵入流條件更好,水力損失更小,其水力性能有了明顯的提高。

3.2 泵站出水流道型線優(yōu)化

泵站出水流道的設(shè)計(jì)也采用流速控制流道斷面面積的方法[3]。圖5為泵站出水流道的初始型線,通過(guò)圓弧與工作門槽平滑連接。經(jīng)計(jì)算,出口流道當(dāng)量擴(kuò)散角約8.6°,符合GB 50625—2010泵站設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。經(jīng)CFD數(shù)值模擬計(jì)算,出水流道工作門槽兩側(cè)圓弧附近有脫流現(xiàn)象,且整個(gè)流道內(nèi)水流流速較快,造成的水力損失也較大 (見(jiàn)圖6)。為降低出水流道的水力損失,在初始型線的基礎(chǔ)上做如下改動(dòng):保持出口寬度不變,泵出口至工作門槽部位適當(dāng)擴(kuò)寬,取消工作門槽的圓弧段,將水泵出口錐管直接與工作門槽相連(見(jiàn)圖7),經(jīng)計(jì)算,出水流道當(dāng)量擴(kuò)散角增大至12°左右,同樣滿足GB 50625—2010泵站設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。經(jīng)CFD計(jì)算,工作門槽附近不再有脫流現(xiàn)象,流道內(nèi)平均流速降低 (見(jiàn)圖8)。

圖5 泵站出水流道初始型線圖

圖6 優(yōu)化后泵站出水流道型線圖

圖7 泵站出水流道水平流速分布圖

圖8 優(yōu)化后泵站出水流道水平流速分布圖

數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明:初始方案的出水流道水力損失約0.127 m,阻力系數(shù)約2.032×104s2/m3;經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,出水流道的水力損失降至0.102 m,阻力系數(shù)下降至1.632×104s2/m3。由此可見(jiàn),出水流道型線經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),水力損失和阻力系數(shù)均有明顯下降,其水力性能得到了明顯的提高。

4 水泵模型裝置試驗(yàn)

通過(guò)上述CFD數(shù)值模擬獲得了較為合理的進(jìn)、出水流道型線,為進(jìn)一步研究整套豎井貫流泵裝置的水力性能,選定350ZMB-3.8模型水泵,配合優(yōu)化后的流道型線進(jìn)行模型水泵裝置試驗(yàn)。泵站原型水泵直徑3.0 m,轉(zhuǎn)速95 rpm,按等nD條件,模型水泵轉(zhuǎn)輪直徑300 mm,轉(zhuǎn)速為950 rpm。

模型試驗(yàn)各葉片角度下的最優(yōu)效率點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1,換算成原型后的參數(shù)(效率未修正)見(jiàn)表2,原型裝置綜合特性曲線見(jiàn)圖9。

表1 泵站模型水泵裝置主要參數(shù)表

表2 泵站原型水泵裝置參數(shù)表

說(shuō)明:總揚(yáng)程考慮了流道進(jìn)、出水口,流道和上下游閘門門槽水力損失總計(jì)0.3～0.5 m。

圖9 站水泵原型裝置綜合特性曲線圖

由表1、2及圖9所示,優(yōu)化后的模型水泵裝置換算到原型水泵后,葉片轉(zhuǎn)角為-2°,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量為25 m3/s時(shí),設(shè)計(jì)揚(yáng)程的效率值達(dá)到了75%,最高揚(yáng)程的效率值達(dá)到了71%,最低揚(yáng)程的效率值為49%。泵裝置具有較好的水力性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)針對(duì)大型低揚(yáng)程豎井貫流泵裝置流道的水力損失問(wèn)題,利用CFD數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)泵裝置進(jìn)、出水流道進(jìn)行了全三維流場(chǎng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)學(xué)模型結(jié)果表明,通過(guò)細(xì)致的水力優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)水流道內(nèi)的脫流得到了控制,水力損失明顯降低,流道內(nèi)流速均勻度增大,出口偏流角減小,提高了水泵的入流條件;出水流道的水力損失有了明顯的下降。進(jìn)、出水流道的水力性能都有了明顯提高。

(2)將經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化后的流道型線配合選定的模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行模型泵裝置試驗(yàn),結(jié)果表明,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量25 m3/s時(shí),設(shè)計(jì)揚(yáng)程的效率值達(dá)到了75%,最高揚(yáng)程的效率值達(dá)到了71%,均超過(guò)了GB 50625—2010“凈揚(yáng)程低于3 m的軸流泵站,其裝置效率不低于60%”的規(guī)定[4]。具有較好的水力性能。

(3)通過(guò)CFD計(jì)算可知泵裝置進(jìn)、出水流道總損失ΔH約為0.078+0.102=0.18 m,凈揚(yáng)程 H凈=0.9m,故流道效率 η流道=H凈/(H凈+ΔH)=83.3%;由模型轉(zhuǎn)輪特性曲線及模型泵裝置試驗(yàn)可知,設(shè)計(jì)工況下,模型泵效率η泵=86.3%,若不對(duì)效率進(jìn)行修正,可算出原型泵裝置的流道效率 η流道=η裝/η泵=86.9%。由此可知,CFD計(jì)算結(jié)果是基本準(zhǔn)確的。

(4)本文采用CFD技術(shù)對(duì)泵裝置流道型線進(jìn)行優(yōu)化,再配合模型水泵進(jìn)行模型裝置試驗(yàn)的方法,可減少試驗(yàn)工作量、縮短研究周期,為其他工程的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]陸林廣,張仁田.泵站進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì) [M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1997.

[2]肖玉平,鄭源,黃昱.基于CFD的大型豎井式貫流泵裝置的流動(dòng)研究[J].水泵技術(shù),2009(6):24-27.

[3]蔣紅梅,陳松山,何鐘寧.泗陽(yáng)泵站出水流道可行性方案對(duì)比分析研究 [J].水利與建筑學(xué)報(bào),2011,9(1):104-109.

[4]中華人民共和國(guó)水利部.GB 50265—2010泵站設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2011.