軸流泵站開敞式進水池的消渦措施分析

施高萍，王益土，華澤元

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院,浙江 杭州　310018)

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軸流泵站開敞式進水池的消渦措施分析

施高萍，王益土，華澤元

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院,浙江 杭州310018)

摘要：以浙江省典型的排澇泵站為例，通過三維湍流Navier-Stokes控制方程和標準k-ε模型，采用SIMPLEC算法,對軸流泵站開敞式進水池進行了數(shù)值模擬分析，提出了后墻隔板、水下隔板和管后隔板等6種消渦方案.結果表明，上述6種消渦方案均有一定的消渦效果，當采用管后隔板且后壁距T=0.75D時，消渦效果最佳，軸向流速分布角均勻度為最好，泵站裝置效率為最高.

關鍵詞：消渦方案；開敞式進水池；軸流泵

1工程概況

該泵站為浙江省典型的排澇泵站，主水泵泵型為900ZLB-70H，額定轉速n=485 r/min，設計揚程H=5.4 m，設計流量Q=2 m3/s，進水池為開敞式進水池，平面形狀為矩形，圖1為泵站的縱剖面圖.

圖1　浙江省典型的排澇泵站剖面圖

泵站進水池的主要作用是調(diào)整水流，使池中水流平穩(wěn)，為水泵提供良好的進水條件.進水池設計不當，會使進水池內(nèi)水流流態(tài)惡化，出現(xiàn)旋渦和回流，降低泵站效率，影響水泵正常運行.進水池主要幾何參數(shù)有：后壁距、懸空高、池寬、池長等.目前，國內(nèi)學者通過模型試驗給出了上述主要幾何參數(shù)的參考取值范圍[1-3]：后壁距T=0.75D、懸空高P=(0.5～0.8)D、最小池寬B=(2.0～3.0)D，池長L>4D(D為進水喇叭口直徑).當進水池的主要幾何參數(shù)取值在上述范圍內(nèi)時，進水池內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，可確保水泵裝置性能的正常發(fā)揮.

由圖1知，進水喇叭口直徑D=1 245 mm，后壁距T=1 277.5 mm=1.03D，懸空高P=1 015.0 mm=0.81D，池寬B=3 700 mm=2.97D，池長L=6 100 mm=4.9D.該進水池除后壁距值遠大于參考取值范圍外，懸空高、池寬、池長等參數(shù)均在參考取值范圍內(nèi).過大的后壁距雖可使水泵四周產(chǎn)生均勻進水條件，但過大后壁距也增加了旋渦和回流產(chǎn)生的幾率[4-6].

2開敞式進水池的數(shù)值模擬

2.1數(shù)值計算方法

開敞式進水池的數(shù)值計算采用雷諾時均Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程來描述，利用標準k-ε湍流模型使上述方程組閉合，方程組求解采用分離半隱式壓力耦合算法(SIMPLEC法)，網(wǎng)格劃分為四面體的非結構化網(wǎng)格，通過網(wǎng)格優(yōu)化和光順以提高網(wǎng)格的質量.

取開敞式進水池為研究對象，外形輪廓為計算邊界，整個水池包圍的水體為計算區(qū)域.計算軸流泵葉輪流場時，采用與葉輪等速同向旋轉的參照坐標系，旋轉速度設定為n=485 r/min.

2.2邊界條件

進口邊界取進水池上游較遠處，假定此處水流已是充分發(fā)展的紊流.根據(jù)軸流泵設計流量，取速度進口邊界條件：v=Q/A=2/(2.2×3.7)=0.245 7 m/s.出口邊界取軸流泵吸水管的出口處，假定出口流動已為單向狀態(tài)，為自由出流邊界條件.進水池上表面取為對稱邊界條件.進水池的固體壁面包括邊墻、軸流泵輪轂、葉輪葉片正背面及導葉正背面等選擇標準壁面函數(shù)，在固體邊壁處為無滑移條件[7-8].

2.3數(shù)值模擬結果分析

圖2為計算得到的進水池水流流態(tài)圖，池中水流表現(xiàn)為從喇叭口前側、兩側及后側進入水泵.喇叭口前側水流直接從喇叭口前部進入水泵；靠近兩側壁水流從喇叭口兩側進入水泵；水面向下近1/3左右的水體，主要從喇叭口后側進入水泵，且在水泵后側形成較明顯的回流區(qū).

圖2　進水池水流流態(tài)圖

合理的進水池設計可為水泵提供均勻的進水流態(tài)，確保水泵進口斷面流速分布均勻.研究表明，水泵進口斷面的流速分布均勻性會直接影響水泵性能的發(fā)揮[2].為此，引入流速分布均勻度函數(shù)Vn，流速分布均勻度越高表明斷面均勻性越好.

(1)

uai—該斷面i單元的軸向速度，m/s；

M—數(shù)值計算時該斷面所劃分的單元網(wǎng)格數(shù).

根據(jù)公式(1)計算得該進水池進口斷面的軸向流速分布均勻度為26.15%，與理想值100%相距甚遠.進一步計算得該泵站的裝置效率為54.53%.根據(jù)《泵站更新改造技術規(guī)程》，對于裝置揚程大于5 m的軸流泵站，其裝置效率不宜低于65%.因此，需對該進水池進行改造，以減小進水管后側的回流區(qū)，提高泵站的裝置效率.

3開敞式進水池的消渦方案

3.1消渦方案

通過對進水池數(shù)值模擬分析可知，該進水池主要因過大后壁距而在水管后側產(chǎn)生了回流.因此為減小水管后側的回流區(qū)，提出后墻隔板、水下隔板和管后隔板等6種消渦方案(見圖3).

3.2不同消渦方案的比較

3.2.1水流流態(tài)分析

對上述6種消渦方案進行數(shù)值模擬計算，得到進水池的水流流態(tài)(見圖4).

方案1為后墻隔板，隔板底部與進水喇叭口平齊，隔板上表面與水池水面平齊，隔板厚度為0.15 m.由圖4(a)，進水池中的水體繞過水泵后，被隔板分成兩部分，分別對稱地從隔板兩側進入水泵.部分水體繞過水泵后，在水泵后側和隔板之間打轉，導致仍有部分回流產(chǎn)生.

方案2為水下隔板，即在進水管后側的水面下加設一個長方體隔板，尺寸為0.35 m×0.35 m×3.70 m.由圖4(b)，進水池中的一部分水體繞過進水管，撞擊進水管后側的隔板，并在其后方旋轉.因此，水流不僅在進水管后側有旋渦，還在水下隔板附近有小旋渦，水流紊亂.

方案3～方案6為管后隔板，即在進水管后側設置一個隔板，厚度為0.05 m，其底部與池底平齊，上表面與水面平齊，隔板把進水池后側的水體與前面的水體隔開，相當于把進水池后墻往前移，后壁距分別為T=0，T=0.25D,T=0.50D和T=0.75D.方案3～方案6目的均為減小后壁距，阻止大范圍回流區(qū)的產(chǎn)生.由圖4(c)～圖4(f)，該四種方案下水流平穩(wěn)，進水管后側均沒有回流區(qū)產(chǎn)生.

3.2.2流速分布均勻度分析

計算得6種消渦方案下水泵進口斷面的軸向流速分布均勻度和裝置效率(見表1).

圖3　6種消渦方案

圖4　6種消渦方案的進水池水流流態(tài)

消渦措施原方案方案1方案2方案3方案4方案5方案6流速分布均勻度/%26.1562.7260.1860.4161.3362.6962.86裝置效率/%54.5377.1273.5573.5874.0674.7077.27

由表1知，相比原設計，6種消渦方案均提高了水泵進口斷面的軸向流速分布均勻度和水泵的裝置效率.6種消渦方案中，方案6(管后隔板T=0.75D)為最佳，該種方案下流速分布均勻度為62.86%，泵站裝置效率為77.27%，其次為方案1(后墻隔板)，該種方案下流速分布均勻度為62.72%，泵站裝置效率為77.12%.

4結論

(1)開敞式進水池是浙江省軸流泵站中應用最為廣泛的進水形式.開敞式進水池的主要幾何參數(shù)，對水泵裝置效率影響較大.過大的后壁距，在進水管后側產(chǎn)生較大的回流區(qū)，會降低泵站的裝置效率.

(2)為減小因進水池后壁距過大而產(chǎn)生的回流，提出了后墻隔板、水下隔板和管后隔板等6種不同的消渦方案.采取6種消渦方案后，進水池的水流流態(tài)得到了較大改善，水泵進口斷面的流速分布均勻度和泵站裝置效率均有所提高.

(3)6種消渦方案中，方案6即管后隔板且后壁距T=0.75D為最佳.該種方案下，進水池進口斷面流速分布均勻度為62.82%，泵站裝置效率為77.27%.

參考文獻：

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Analysis on Counteracting Vortex for Open Suction Sump of Axial-flow Pump Station

SHI Gao-ping, WANG Yi-tu, HUA Ze-yuan

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Taking typical drainage pump station in Zhejiang Province as example, numerical simulation was carried out on three-dimensional flow field of open suction sump of axial-flow pump station, based on the turbulent model of Navier-Stokes and standard k-εby using SIMPLEC algorithm. At the excessively large value of back wall, vortex was appeared near the intake pipe, which causes the axial velocity distribution uniformity and low efficiency. To eliminate the vortex, six different methods of counteracting vortex were proposed.The results show that the anti-swirl effect of the methods is good. When the value of back wall is equal to 0.75D, the anti-swirl effect is the best, the axial velocity distribution is uniform, and the efficiency is high.

Key words:counteracting vortex; open suction sump; axial-flow station

收稿日期：2015-12-10

基金項目：2014年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201411481010)

作者簡介：施高萍(1978-)，女，浙江縉云人，副教授，主要研究方向為CAD/CAM及工程力學的教學與研究.

中圖分類號：TV214

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)04-0026-04