大型泵站箱形進水流道內部流動數值模擬

周濟人,金 燕,劉 超

(1.河海大學水利水電工程學院,江蘇 南京 210098;2.揚州大學水利科學與工程學院,江蘇 揚州 225009)

0 引 言

泵站進水流道是前池與水泵葉輪室之間過渡段,其作用是使水流由前池流向葉輪室的過程中能更好地轉向和收縮,使水泵葉輪進口具有較好的流速分布和壓力分布,進水流道內流態的優劣直接影響水泵的性能及安全運行[1]。某大型低揚程泵站為滿足自引、自排、抽引及抽排要求,泵站進出水流道設計為箱形雙向形式。目前對雙向流道泵裝置的研究多為模型試驗[2-6],對其內部流場了解較少。本文采用CFD數值模擬方法[7-9]能夠獲取進水流道內的流場,可以詳細了解流速分布情況,尤其是泵進口的流速分布,對改善進口水流條件,保證水泵性能的發揮和安全運行具有重要的意義。

1 計算模型

本文采用FLUENT軟件對大型低揚程泵站雙向箱形進水流道內部三維紊流流動進行數值模擬。

1.1 計算區域

數值模擬以進水流道為計算對象,前池和進水流道外形輪廓為計算邊界,取整個進水流道包圍的水體為計算區域,如圖1所示。為了模擬水泵葉輪進口條件,進水流道出口設置了圓柱輪轂體。應用有限體積法離散和SIMPLE算法計算求解速度場和壓力場。

1.2 控制方程

進水流道內水流運動作為一種收縮型管道運動,只要設計得當不易出現回流現象,因此采用標準k～ε紊流模型可滿足計算精度要求。

圖1 計算區域

標準k～ε紊流模型是半經驗公式[10],主要是基于紊動能和紊動能耗散率。其中k方程是精確方程,ε方程是由經驗公式推導出的方程。

紊動能k方程

紊動能耗散率ε方程

式中 :μt=為紊流粘性系數;Cμ為常數;Gk為由于速度梯度引起的應力生成項:

標準k～ε紊流模型方程中的常數通過經典實驗得到,各相關常數如下:

1.3 邊界條件

1.3.1 進口邊界

取在進水池上游較遠處,認為來流已是充分發展的紊流,比較均勻。進水池入口的流速場給定,在水深方向設為對數式分布。

1.3.2 出口邊界

取在泵吸水管出口處,認為出口流動已成單向狀態,計算區域的解不受出口下游影響。

1.3.3 固壁邊界

進水池中的固體壁面包括邊墻、吸水管及其圓柱輪轂體等,采用標準壁面函數法,并在固體邊壁處規定無滑移條件。

1.4 網格劃分

進水流道采用非結構化四面體網格和六面體網格相結合的混合網格,以適應隔墩、喇叭口等不規則部件。

2 流場計算結果及分析

2.1 流場計算工況點的選取

通過數值模擬,可以得到進水流道內流場的速度、壓力、流線等信息。為了便于分析、說明和比較,選取三個典型的工況點進行分析,分別是最優工況(Q=20 m3/s)、小流量工況(Q=15 m3/s)和大流量工況(Q=25 m3/s)。

以下各圖中壓強單位為Pa,流速單位為m/s。

2.2 粒子跡線圖

圖2為最優工況下整個流道的粒子跡線圖,由圖可知,水流由進水池進入喇叭口過程中直線段的流線均較為平順,當進入喇叭口下方時流線急劇彎曲,由于進水流道的后部空間較大,水流的自由度大,在來流的帶動下流道的后壁死水區流線紊亂,形成緩慢回流和漩渦,但該區流速較小。

圖2 進水流道內的粒子跡線圖

2.3 壓力和流線分布

為了進一步研究進水流道內的流動情況,在最優工況下,截取了幾個具有代表性的斷面進行分析,分別是進水流道隔墩兩側的對稱面(Z=-0.5 m,Z=0.5 m),靠近進水流道面層的斷面(y=-0.5 m),靠近進水流道底層的斷面(y=-2.7 m),具體位置見圖3(a)和圖4(a)。圖3(b)、圖3(c)、圖4(b)、圖4(c)顯示的是不同斷面上的速度等值線和壓力云圖。由圖可知,從前池到進水流道,壓力分布沿著水流的方向逐漸降低,流速逐漸增大,流態平順。但在進水流道的后部是死水區,流速很小,且有明顯的漩渦。從縱斷面來看,進水流道內在隔墩的兩側斷面上的壓力分布和流速分布十分接近,說明水流基本上是對稱的,死水區的漩渦靠近后壁;從水平斷面來看,靠近流道底部的流速和壓力比靠近流道面層的流速和壓力分布更均勻些,靠近面層的斷面上在喇叭口后部出現了對稱的一對漩渦。

圖3 不同縱截面速度等值線圖和壓力云圖

圖4 不同水平截面速度等值線圖和壓力云圖

2.4 橫向流速

圖5是進水流道內從進口到出口不同橫截面(從左到右依次編為 1-1、2-2、3-3、4-4、5-5)上的橫向流速分布云圖,由圖5可知,1-1至4-4斷面的橫向流速均較小,其中3-3斷面的橫向流速最小,斷面最大的橫向流速僅為0.08 m/s。由于靠近吸水喇叭口,5-5斷面表現為靠近隔墩橫向流速大,靠近流道底部和頂部橫向流速小的特征。

圖5 不同橫截面上的橫向流速云圖

2.5 水力損失計算

在計算中,可利用表面積分功能,得到流道進出口的總壓,流道水力損失 Δ h由下式算得:

式中:P0out為流道出口的總壓;P0in流道進口的總壓;PS為表面靜壓;u為流體速度。

各工況的數值計算水力損失值與流量關系曲線如圖6所示。由圖6可知,對不同工況的計算表明,進水流道內的水力損失隨著流量的增大而逐漸增大,并與流量基本上成二次方關系,這與文獻[11]得到的結論相符。

圖6 進水流道內水力損失

3 結 語

(1)基于CFD數值模擬,獲得了箱形進水流道內部流動的規律,從前池到進水流道直段水流順直,流態平穩,當進入喇叭口下方時流線急劇彎曲,在進水流道后部死水區有明顯的漩渦。

(2)分析了進水流道內不同斷面的流速和壓力云圖,從前池到進水流道,壓力分布沿著水流的方向逐漸降低,流速逐漸增大,流態平順。但在進水流道的后部靠近后壁和喇叭口的位置出現漩渦。

(3)通過對不同工況內水流流動的數值模擬,預測了不同工況下進水流道內的水力損失,其規律是水力損失隨著流量的增大而逐漸增大,并基本呈現二次方的關系。

[1]劉超.水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[2]劉超,周濟人,湯方平,等.低揚程雙向流道泵裝置研究[J].農業機械學報,2001,32(1):49-51.

[3]周濟人,劉超,袁家博,等.大型泵站箱涵式雙向進水流道試驗研究[J].揚州大學學報(自然科學版),1999,2(4):79-82.

[4]葛強,陳松山,王林鎖,等.涵箱型雙向流道在船塢泵站應用研究[J].水泵技術,2004,(4):40-43.

[5]葛強,陳松山,王林鎖,等.鐘形箱涵式進水流道泵裝置特性模型試驗研究[J].水力發電學報,2006,25(5):129-134.

[6]王林鎖,陸偉剛,陳松山,等.“工字型”雙向流道泵站裝置特性試驗研究[J].水力發電學報,2001,20(2):79-85.

[7]LI Yaojun,WANG Fujun.Numerical investigation of performance of an axial-flow pump with inducer[J].Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2007,19(6):705-711.

[8]Constantinescu G S,PatelV C.A numericalmodel for simulation of pump-intake flow and vortices[J].Hydr Engrg,ASCE,1998,124(2):123-134.

[9]成 立,劉超,薛 堅,等.基于CFD流動分析的泵站肘形進水流道水力特性研究[J].應用基礎與工程科學學報,2008,16(6):891-899.

[10]Rodi W.Turbulence models and their application in hydraulics experimental and mathematical fluid dynamics[C]//Delft:IAHR Section on Fundamentals of DivisionⅡ,1980:44-46.

[11]湯方平,袁家博,周濟人.軸流泵站進出水流道水力損失的試驗研究[J].排灌機械,1995,(3):13-14.