博斯騰湖泵站立式軸流泵出水流道基本流態(tài)的探析

【摘要】立式軸流泵的出水流態(tài)是確保水泵裝置獲得最佳能量性能的必要條件。這個條件對于低揚程泵站的效率具有十分突出的影響。出水流道內的流態(tài)是其最基本的屬性，流道的水力性能完全決定于流道內的流態(tài)。因此在選擇低揚程立式軸流泵出水流道的形式時，需要對不同形式出水流道的基本流態(tài)進行分析。本文概述了立式軸流泵出水流道的基本流態(tài)及水力設計，對立式軸流泵的出水流道三維流動數(shù)值模擬及其結果進行了探討分析。

【關鍵詞】立式軸流泵；出水流道；水力設計；三維流動數(shù)值模擬

一、立式軸流泵出水流道的基本流態(tài)及水力設計的概述

立式軸流泵的出水流道作用是使水流有序地轉向和平緩地擴散，在流道內盡可能不產生脫流及旋渦、流道水力損失盡可能小的條件下盡可能多地回收水流的動能。與大型立式軸流泵配套使用的一般有虹吸式和直管式出水流道。第一、虹吸式出水流道是一種彎曲形的流道，由上升段、駝峰段、下降段及出口段組成，由于它可以安全地越過提防，而且流道可以直接擋洪、斷流方式簡單可靠，因此在大型立式軸流泵站中得到了廣泛的應用。第二、直管式出水流道形狀相對簡單，施工方便，在大型立式軸流泵站中也得到了應用。對于中高揚程泵站，直管式出水流道的轉向角度一般不大于60°；對于低揚程泵站，由于水泵導葉出口斷面的高程與上游最低水位之間的差值較小，直管式出水流道往往須作不小于90°的轉向。國家標準《泵站設計規(guī)范》（GB/T 50265-97）推薦：對于立式軸流泵站，當出水池水位變化幅度不大時，宜采用虹吸式出水流道，配以真空破壞閥斷流方式；對于出水池最低運行水位較高的泵站，可采用直管式出水流道，在出口設置拍門或快速閘門，并在門后設置通氣孔。

出水流道的水力設計應滿足下列要求：（1）流道出口的平均流速一般不大于1.5 m/s，對于揚程低、運行時數(shù)多的泵站，不宜大于1.0 m/s；（2）在各種運行工況下，出水流道內無旋渦、渦帶等不良流態(tài)；（3）流道水力損失盡可能??；（4）流道的控制尺寸取值合理。

二、立式軸流泵的出水流道三維流動數(shù)值模擬分析

1、計算方案。結合某泵站為例，泵站設計揚程為H=4.6 m，設計流量為Q=25 m3/s，水泵葉輪直徑為D0=2.65 m。根據(jù)該泵站出水流道形式比選的要求，對該站進行了虹吸式和直管式兩種不同形式出水流道三維流動的數(shù)值模擬及優(yōu)化水力設計。兩種形式出水流道的長度相等，流道出口斷面的高度和寬度相等、頂高程根據(jù)最低出口水位確定；兩種形式出水流道在高度方向的控制尺寸則根據(jù)各自幾何體型的特點和要求在該泵站許可的范圍內取值：虹吸式出水流道駝峰斷面的底高程決定于上游最高水位；直管式出水流道適當向上彎曲，以加大轉彎半徑、減少脫流，向上彎曲的程度決定于水泵頂蓋的安裝高程。

2、三維流動數(shù)值模擬的數(shù)學模型。計算流體動力學（CFD）的理論及技術的發(fā)展，開發(fā)了許多用于求解三維雷諾平均N—S方程和多種k—ε紊流模型方程組的專用軟件。這些軟件已被大量地用于模擬水輪機尾水管、蝸殼、葉輪內和整個裝置內的流動，進行水力機械的性能預測和優(yōu)化設計。本文采用了目前國內外應用最為廣泛的FLUENT軟件。（1）控制方程。出水流道內部流場數(shù)值模擬的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程已有很多文獻作了介紹，本文不再贅述。（2）邊界條件。第一、進口邊界。計算流場的進口設置在水泵后導葉出口斷面，在該斷面認為來流速度在整個斷面上均勻分布，計算流量可作為已知條件，故而進口邊界采用速度進口邊界條件。由于一般導葉出口的水流都不同程度地具有剩余環(huán)量，故在這里預置了一定的環(huán)量。第二、出口邊界。為了準確地應用出口邊界條件，將計算流場的出口設置在距流道出口有足夠遠的出水池內，這里的流動是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。第三、固壁邊界。出水流道邊壁及出水池池底為固壁，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理中對所有固壁處的節(jié)點應用了無滑移條件，而對緊靠固壁處節(jié)點的紊流特性，則應用了所謂對數(shù)式固壁函數(shù)處理，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點數(shù)。第四、自由表面。出水池的表面為自由水面，若忽略水面風引起的切應力及與大氣層的熱交換，則自由面對速度和紊動能均可視為對稱平面處理。

三、出水流道三維流動數(shù)值模擬與模型試驗的結果分析

1、出水流道三維流動數(shù)值模擬結果。（1）虹吸式出水流道的三維流場。對虹吸式出水流道進行了三維流場數(shù)值模擬：流道進口的水流具有一定環(huán)量，水流呈螺旋狀流入流道；虹吸式出水流道上升段各斷面的高度雖逐步減小，但隨著流道寬度的逐步擴大，上升段內的流速還是逐步減小，由于轉向角度和擴散較為平緩，該段流道內無脫流現(xiàn)象；受水流慣性和環(huán)量的雙重影響，流道下降段內左右兩側的流場不對稱，順水流方向看，主流偏向流道下降段的左側上部，而在流道右側下部區(qū)域出現(xiàn)立面方向的局部旋渦，旋渦的范圍較小、強度較弱。

（2）直管式出水流道的三維流場。對直管式出水流道進行了三維流場數(shù)值模擬：流道進口的水流具有環(huán)量，水流呈螺旋狀流入流道；由于流道作90°轉向時的轉彎半徑較小，受水流慣性和環(huán)量的雙重影響，在流道作90°轉向之后，流道下降段內左右兩側的流場明顯不對稱，順水流方向看，主流偏向流道下降段的左側上部，而在流道右側下部區(qū)域出現(xiàn)了較大范圍的旋渦。

2、出水流道模型試驗的結果。分別對虹吸式和直管式出水流道進行了透明流道模型試驗研究。在模型試驗中觀察到的兩種形式出水流道內基本流態(tài)與數(shù)值模擬的結果完全一致。

結束語

立式軸流泵出水流道中的虹吸式出水流道與直管式出水流道相比，可以更好地適應低揚程泵站上、下游水位差較小的特點，可以獲得更好的流態(tài)和更小的水力損失，對于年運行時數(shù)較多的低揚程大型泵站，在泵站上游水位的變幅允許的條件下，應優(yōu)先選用水力性能較好的虹吸式出水流道。

參考文獻：

[1]GB/T 50265-97，泵站設計規(guī)范[S].

[2]陸林廣等.泵站出水流道模型水力損失的測試[J].排灌機械，2005（5）

[3]陸林廣.低揚程立式泵裝置優(yōu)化水力設計研究[D].揚州大學，2012

[4].張海勝等.立式軸流泵水力不穩(wěn)定工況流場數(shù)值預測[J].水泵技術，2016（02）