軸流泵裝置封閉式進(jìn)水池水力性能模擬與驗(yàn)證

汪亞軍，徐 麗，成 立，肖桂雨

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310000；2.江蘇路翔交通工程有限公司，江蘇南通 226500；3.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引 言

我國中小型立式機(jī)組多采用開敞式進(jìn)水池，水位變幅較大，易形成水面渦、附底渦和附壁渦［1］，為防止水面渦的發(fā)生，工程中對(duì)擁有自由水面的開敞式進(jìn)水池添加蓋板，形成封閉式進(jìn)水池。張波濤等［2］利用PIV 技術(shù)研究了封閉式進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)特性。Xu Y［3］針對(duì)封閉式進(jìn)水池提出改造方案，設(shè)置T 型渦漩阻器，試驗(yàn)（PIV 試驗(yàn)）表明設(shè)置T 型渦漩阻器能減少漩渦發(fā)生，可大幅優(yōu)化封閉式進(jìn)水池內(nèi)部流態(tài)。目前國內(nèi)外，關(guān)于封閉式進(jìn)水池研究大多集中于不帶葉輪、導(dǎo)葉，單純進(jìn)水池的研究［4，5］，對(duì)于泵裝置全流場內(nèi)部流動(dòng)特性，泵裝置效率方面的研究較少。針對(duì)軸流泵裝置封閉式進(jìn)水池，重點(diǎn)展開模型試驗(yàn)和CFD 數(shù)值模擬研究，對(duì)比分析其內(nèi)部流動(dòng)特性和水力性能影響。

1 泵裝置模型計(jì)算

1.1 泵裝置模型建立

圖1 為計(jì)算模型示意圖，包括進(jìn)水箱、進(jìn)水池、喇叭管、葉輪、導(dǎo)葉、彎管段、出水箱和出水延長段（與大氣壓相連）。計(jì)算域模塊基本參數(shù)如下，葉輪：3片（葉片數(shù)），導(dǎo)葉：7片（葉片數(shù)），葉輪直徑：120 mm，葉輪轉(zhuǎn)速：2 400 r/min。進(jìn)口處典型測壓斷面：1-1測試斷面，出口處典型測壓斷面：2-2測試斷面。計(jì)算域模型相關(guān)幾何參數(shù)如下：池長L=5.5D，池寬B=3.7D，池高H=2.2D，后墻距T=1.3D，懸空高C=1.1D。（D為喇叭管口直徑188 mm），Bi表示進(jìn)水池池寬方向，Hi表示進(jìn)水池池高方向，上述幾何參數(shù)在封閉式進(jìn)水池幾何參數(shù)示意圖中均已標(biāo)明，如圖2所示。

圖2 封閉式進(jìn)水池幾何參數(shù)示意圖Fig.2 The geometric parameter of enclosed suction sump

1.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬計(jì)算域共分為9 塊，主要內(nèi)容有：進(jìn)水箱部分、封閉式進(jìn)水池部分、喇叭管部分、葉輪（葉片3個(gè)）部分、導(dǎo)葉（葉片7個(gè)）部分、泵軸段（連接電機(jī)）、彎管段（水流轉(zhuǎn)向）、出水箱部分以及出水延長段。其中葉輪、導(dǎo)葉部分網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，采用TurboGrid加密網(wǎng)格劃分（采用六面體網(wǎng)格），進(jìn)出水箱和彎管段采用Workbench 進(jìn)行網(wǎng)格劃分（采用六面體網(wǎng)格），泵軸段和喇叭管采用混合型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，模型整體網(wǎng)格劃分多采用六面體網(wǎng)格。考慮本文重點(diǎn)研究封閉式進(jìn)水池區(qū)域，模型較為規(guī)則同時(shí)需要添加多個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，采用四面體劃分網(wǎng)格，該類型網(wǎng)格劃分自適應(yīng)性較好，計(jì)算結(jié)果收斂性較為理想。為進(jìn)一步提升網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格劃分時(shí)可通過調(diào)節(jié)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到改善網(wǎng)格質(zhì)量目的。考慮網(wǎng)格數(shù)量過少將影響數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，優(yōu)先完成網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)四面體網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到90萬個(gè)以后對(duì)泵裝置揚(yáng)程、軸功率幾乎沒有影響。整個(gè)計(jì)算域四面體網(wǎng)格數(shù)為81 萬個(gè)，六面體網(wǎng)格數(shù)為231 萬個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為262 萬個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為314 萬個(gè)。整體網(wǎng)格劃分如圖3計(jì)算域網(wǎng)格劃分圖所示。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.3 The grid partition of computing domain

1.3 邊界條件設(shè)置

進(jìn)口條件：數(shù)值模擬進(jìn)水箱進(jìn)口條件設(shè)置為質(zhì)量流，可通過進(jìn)口流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；數(shù)值模擬直管段出口條件設(shè)置為壓力出口，與大氣壓相連。固體與流體接觸面設(shè)置：固體壁面邊界—wall，固體壁面參數(shù)選擇：相對(duì)速度為0的無滑移壁面—No Slip，進(jìn)水池出口斷面與葉輪進(jìn)口斷面、葉輪出口斷面與導(dǎo)葉進(jìn)口斷面，兩者接觸面均設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子—Frozen Rotor，為保證交接面的連續(xù)性，計(jì)算域靜態(tài)接觸面設(shè)置為層接—Stage。三維定常流數(shù)值模擬主要參數(shù)設(shè)置詳見表1所示。

表1 三維定常流數(shù)值模擬主要參數(shù)設(shè)置Tab.1 The main setting parameter of 3-D steady turbulence computation

2 模型實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

模型實(shí)驗(yàn)裝置包括：進(jìn)水箱、封閉式進(jìn)水池、葉輪室、導(dǎo)葉（葉片7片）、泵裝置電機(jī)、彎管、出水箱、輔助泵、壓力傳感器、動(dòng)力柜等組成，如圖4封閉式進(jìn)水池泵裝置模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)所示。

圖4 封閉式進(jìn)水池泵裝置模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.4 The model test bench for enclosed suction sump device

2.2 測量方法

模型裝置性能實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格參照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL104-2006）執(zhí)行，大流量至小流量工況展開試驗(yàn)，共布置7個(gè)流量工況點(diǎn)，每個(gè)流量調(diào)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取20次，去3個(gè)最高，3 個(gè)最低其余14 個(gè)數(shù)據(jù)取平均值作為計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速：2 400 r/min，泵裝置相關(guān)性能參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：P總為總壓差，Pa；P1總為測壓孔平均總壓（測試段進(jìn)口處1-1 典型斷面）；P2總為測壓孔平均總壓（測試段出口處2-2 典型斷面），測壓斷面位置如圖1計(jì)算模型示意圖所示；Hsys表示泵裝置揚(yáng)程，m；T表示葉輪扭矩，N.m；n表示葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；N軸表示軸功率，kW。

3 數(shù)模與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 封閉式進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)對(duì)比分析

在封閉式進(jìn)水池內(nèi)部沿水流方向截取5 個(gè)典型斷面，采用Bi/B（池寬相對(duì)位置比）截取典型斷面，進(jìn)而展開進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)分析，如圖5 進(jìn)水池特征斷面縱向流速云圖與矢量流線圖所示。如圖5、6 所示，封閉式進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)主要分為2 個(gè)階段即：進(jìn)水池直線段、喇叭口收縮段。直線段流動(dòng)主要表現(xiàn)為：水流在進(jìn)水池直線段流線基本保持平行。喇叭口收縮段流動(dòng)主要表現(xiàn)為：受喇叭口段的收縮水流流速增大的影響，進(jìn)水池底部（向上方向）約1/3～2/3 區(qū)域的水流率先從喇叭口前側(cè)及兩側(cè)直接進(jìn)入喇叭口內(nèi)，進(jìn)水池底部向上約1/3 左右的水體緊接著從喇叭口前部進(jìn)入到喇叭管內(nèi)，蓋板向下約1/3 左右的水體繞到喇叭口后方進(jìn)入喇叭管內(nèi)，整個(gè)封閉式進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)主要特征表現(xiàn)為：喇叭管口四周進(jìn)水的過程。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在喇叭管口下方偏來流側(cè)，出現(xiàn)了水流高速區(qū)，在進(jìn)水池后壁下方區(qū)域和喇叭管口下方沿進(jìn)水方向的兩側(cè)區(qū)域則相對(duì)表現(xiàn)為低速區(qū)，在喇叭管后方區(qū)域出現(xiàn)了強(qiáng)度不一的回流，該數(shù)模研究成果是在設(shè)計(jì)流量Q設(shè)=30.0 kg/s工況下獲得。

圖5 進(jìn)水池特征斷面縱向流速云圖及矢量流線圖Fig.5 Feature section velocity Z cloud chart and vector streamlined diagram

模型試驗(yàn)過程中，可在喇叭口后側(cè)區(qū)域清晰地發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間變化左右擺動(dòng)的附壁渦，如圖6實(shí)驗(yàn)漩渦圖所示（紅色圓圈標(biāo)記旋渦位置）。該附壁渦出現(xiàn)在蓋板下方，隨水流席卷伸向喇叭口，只是這種渦帶維系的時(shí)間不是很長，強(qiáng)度不是很高，在喇叭管口后側(cè)位置被水流沖散，從而未能進(jìn)入葉輪室。對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果采用Tecplot進(jìn)行后處理，同樣在喇叭管后方得到明顯的渦管圖，如圖7 喇叭管后方渦管圖所示（紅色圓圈標(biāo)記渦流位置），該模型試驗(yàn)研究成果是在設(shè)計(jì)流量Q設(shè)=30.0 kg/s工況下獲得。同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性與有效性。

圖6 實(shí)驗(yàn)漩渦圖Fig.6 The vortex diagram during the experiment

圖7 喇叭管后方渦管圖Fig.7 The diagram of vortex tube behind horn tube

3.2 泵裝置外特性對(duì)比分析

數(shù)值模擬與模型實(shí)驗(yàn)葉片安放角均為0°，兩者轉(zhuǎn)速相同：2 400 r/min，由圖8 水力性能曲線可知，該軸流泵裝置模型試驗(yàn)最高效率為58.8%，對(duì)應(yīng)最優(yōu)流量（設(shè)計(jì)流量）為30.0 kg/s，對(duì)應(yīng)泵裝置揚(yáng)程為1.57 m。根據(jù)22～40 kg/s 流量范圍（7 個(gè)工況點(diǎn)）對(duì)應(yīng)流量、揚(yáng)程數(shù)據(jù)繪制泵裝置水力性能曲線，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。重點(diǎn)分析大流量、設(shè)計(jì)流量、小流量工況，對(duì)比數(shù)模揚(yáng)程和實(shí)測揚(yáng)程曲線，可發(fā)現(xiàn)兩者揚(yáng)程曲線在不同工況下吻合較好，對(duì)比數(shù)模效率和實(shí)測效率曲線，兩者存在一定差異，但在小流量工況和設(shè)計(jì)流量工況下兩者差異較小，數(shù)模效率比實(shí)測效率高0.8%～2.4%，這一差異＜5.0%，滿足兩者允許的差異值；然而大流量工況下，封閉式進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)水流較為復(fù)雜、多變，數(shù)模效率與實(shí)測效率兩者相差較大。

圖8 水力性能曲線Fig.8 The curve of hydraulic performance

表2 水力性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Hydraulic performance Statistics

4 結(jié) 論

（1）對(duì)封閉式進(jìn)水池泵裝置進(jìn)行全流場數(shù)值模擬研究，計(jì)算了22～40 kg/s 流量范圍內(nèi)的7 個(gè)工況點(diǎn)，與泵裝置模型試驗(yàn)展開對(duì)比，研究表明小流量與設(shè)計(jì)流量工況兩者吻合較好，大流量工況因內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，兩者差異較大。建議后續(xù)研究方向可針對(duì)大流量工況展開，采用不同紊流模型、非定常流等進(jìn)一步對(duì)比研究。

（2）設(shè)計(jì)流量工況下，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)在喇叭管后上方相同位置均捕捉到明顯附壁渦，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性和可靠性。

（3）揭示了封閉式進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)主要分為2 個(gè)階段的流動(dòng)，即進(jìn)水池直線段、喇叭口收縮段。這與開敞式進(jìn)水池四面進(jìn)水的水流特征基本相似。