潛水軸流泵流程CFD分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王婷婷 潘緒偉 成志超 仝妍妍

（1.宿遷市水務勘測設計研究有限公司 宿遷 223800 2.合肥凱泉電機電泵有限公司 合肥 230000 3.江蘇省皂河船閘管理所 宿遷 223800）

1 概述

船行二站泵站位于宿遷市宿城區(qū)，泵站安裝4 臺1400QZ-70-(-2)-560 的潛水軸流泵機組。泵站的裝置效率與進水前池的形狀、泵放置的位置、泵的流道及出水池有密切的關系，進出水流道約束進出水水流流速、流態(tài)，如果設計不合理，水流會在逆壓力梯度作用下，產(chǎn)生脫流和回流，造成水流紊亂和不必要的損失，進而影響泵站的裝置效率。本文探討利用CFD 技術模擬計算，預測泵站的內(nèi)部流態(tài)并優(yōu)化進出水流道結(jié)構(gòu)。

2 泵站計算模型

船行二站泵站單泵設計流量5.6m3/s，揚程7.61m，泵轉(zhuǎn)速370r/min，單機功率560kW，泵站選用矩形進水前池與出水池，進水流道采用簸箕式流道，圓管接出水池出水。

由于泵站幾何復雜，相互間存在配合問題，為了在造型過程中減少幾何損失，準確模擬泵站真實形狀，采用cero2.0 對全流道三維建模，用ICEM 對其進行網(wǎng)格劃分，進而對泵站進行三維定常數(shù)值模，計算軟件采用CFX14.0。物理計算模型如圖1所示。

3 計算網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是CFD 前處理中舉足輕重的一步，ICEM CFD 能實現(xiàn)邊界自動加密及網(wǎng)格自查，故采用自適應性較強的四面體網(wǎng)格對各個部件（除導葉外）部件進行網(wǎng)格劃分計算域，為了準確模擬內(nèi)部流動，提高計算精度，并對局部區(qū)域做加密處理，網(wǎng)格數(shù)量見表1。

4 數(shù)值計算

4.1 控制方程

流體的流動控制方程是模擬泵內(nèi)部流動的基礎。

連續(xù)性方程：

動量方程：

定義流體湍動耗散率ε為：

與湍動能、耗散率對應的運輸方程：

圖1 整體計算物理模型圖

表1 網(wǎng)格數(shù)量表

圖2 泵站流線俯視圖

圖3 泵站流線仰視圖

圖4 泵組流道流線圖

圖5 泵組的壓力云圖

4.2 計算邊界條件

在數(shù)值計算之前，對水泵進行邊界條件的設置，將流體域網(wǎng)格導入CFX15.0，泵壁面粗糙度采用0.05mm，對動靜交界面采用“凍結(jié)轉(zhuǎn)子法”進行耦合。殘差值是衡量數(shù)值計算是否收斂的重要指標，殘差值設置越小則計算結(jié)果越準確，且同一網(wǎng)格文件在不同工況下的收斂速度有差別，故設置殘差值的收斂精度為10-4以下。計算邊界條件見表2。

5 CFD 計算結(jié)果分析

由于該泵站對泵組的使用方式為用3 備1，所以將這4 組泵進行編號，分別為1，2，3，4。本次在設計流量點進行了4 種方案計算，方案1 為編號1，2，3 的泵運行，4 號泵留作備用；方案2 為編號1，2，4 的泵運行，3 號泵留作備用；方案3 為編號1，3，4 的泵運行，2 號泵留作備用；方案4 為編號2，3，4 的泵運行，1 號泵留作備用。

5.1 計算流線圖

從圖2和圖3的泵站流線俯視圖和仰視圖可以看出，不同機組的運轉(zhuǎn)方案下泵站流線分布呈現(xiàn)完全不同的規(guī)律，其中在方案4 的運行方式下，泵站的前池和出水池流體的流態(tài)較方案1、2、3 的要平順的多；方案2 和方案3 機組的運行方式對泵站前池和出水池流體的流態(tài)產(chǎn)生較大的不利影響，不建議采用這兩種組合方式起泵運轉(zhuǎn)；出水池無論在哪種方案下運行機組都會使其中的流體流動紊亂，有大量渦存在。

從圖4泵組流道的流線圖可以看出，無論采用哪種方案運行機組，泵站的簸箕型進水流道流線分布均勻，水流平順，規(guī)則有序；泵組的出水流道整體上流動平順，但在流動在改變方向時有漩渦存在，越過三通位置時存在空白區(qū)域，建議在水流改變方向的三通處倒大圓角。

5.2 計算壓力云圖

圖5為設計流量工況下的泵組的壓力分布云圖。從中可以看出泵站的壓力分布規(guī)律基本相同，在泵站前池的壓力最低，泵組的壓力由于葉輪做功的緣故開始增大，在三通管拐彎位置處壓力達到最大值，流體流過拐彎位置后，壓力逐漸降低。從圖中可以看出泵站機組的不同組合的運行方式，泵體內(nèi)壓力分布不同，增壓效果從高到低的排序為方案2、方案3、方案1 和方案4，說明泵組不同的組合運行方式對泵站流體會產(chǎn)生較大影響。

5.3 湍動能圖

圖6 泵站前池湍動能分布圖

圖7 泵站出水池湍動能

從圖6和圖7可以看出，運轉(zhuǎn)泵機組的組合方式不同，對泵站的前池和出水池的湍動能分布范圍有較大的影響。按其影響大小進行排序為方案2 的湍動能分布范圍大于方案3 的分布范圍，方案3 的分布范圍大于方案1 的分布范圍，方案1 的分布范圍大于方案4 的分布范圍；前池和出水池的湍動能分布范圍都較大，建議將泵站前池和出水池的導流板延長，用以減緩流體流動的紊亂程度。

6 結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化建議

（1）簸箕進水流道流動均勻?qū)ΨQ，規(guī)則有序，形態(tài)良好；在三通位置之前整體上流動較為平順，但在三通位置后，流動在改變方向時有漩渦存在，且一直延續(xù)到出水池；出水池流動紊亂，有大量渦存在，各流道之間有相互干擾。

（2）建議在進水前池及出水池對導流板進行延長。

（3）建議出水管路與泵體混凝土交接處用大圓角過渡■