雙向開敞式立式軸流泵裝置數(shù)值模擬

王 麗 張躍飛 單陸丹

（江蘇省淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223000）

雙向開敞式立式軸流泵裝置數(shù)值模擬

王 麗 張躍飛 單陸丹

（江蘇省淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223000）

基于CFD技術(shù)，采用RNGk-ε湍流模型，對(duì)三干河開敞式立式軸流泵4個(gè)工況進(jìn)行全流場數(shù)值模擬，選取工況2和工況3泵裝置流線，葉片壓力、流線、速度和矢量分布以及導(dǎo)葉片的速度矢量等進(jìn)行分析，并將模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與泵段和泵裝置模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合，表明該泵滿足運(yùn)行要求。該研究成果對(duì)同類泵站的選型和設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

立式軸流泵 雙向 泵裝置 數(shù)值模擬

1 泵站概況

張家港市三干河樞紐工程由節(jié)制閘和泵站兩部分組成。泵站安裝3套2200ZLB13.4-2開敞式立式軸流泵，配TL800/40同步電機(jī)。

泵站的下廊道為進(jìn)水流道，上廊道為出水流道。流道兩端分別設(shè)置2道閘門。泵雖是單向運(yùn)轉(zhuǎn)，但通過開閉4道閘門可以改變進(jìn)出水方向進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水流的雙向供水（排澇、灌溉）的運(yùn)行目的。

2 泵站運(yùn)行特征揚(yáng)程和選型

張家港市三干河南延工程三干河樞紐工程泵站參數(shù)如表1所示。

表1 三干河南延工程三干河樞紐工程泵站特征揚(yáng)程組合

根據(jù)與該泵站相似的海洋涇泵站裝置試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行選型，選型結(jié)果如圖1所示。

圖1 泵裝置綜合特性曲線（海洋涇模型）

結(jié)果可知，葉輪外徑2200mm，轉(zhuǎn)速150r/min，泵在0°運(yùn)行，可以滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)模型裝置效率為68%～70%。

3 模型的建立及邊界條件

3.1計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

此次模擬以開敞式立式軸流泵的進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉及出水流道作為研究對(duì)象，主要的性能參數(shù)如表2所示。

表2 各計(jì)算工況點(diǎn)參數(shù)

網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果極為重要，網(wǎng)格的質(zhì)量和疏密程度也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。考慮整個(gè)裝置的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)內(nèi)存的要求，此次采用Tetra/Mixed網(wǎng)格，采用對(duì)復(fù)雜邊界適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為3607792。

3.2控制方程及湍流模型

采用工程廣泛應(yīng)用的雷諾平均模型來描述泵裝置內(nèi)部流體的流動(dòng)，本文采用RNG模型以便更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大流動(dòng)。

RNG模型方程為：

3.3邊界條件

以進(jìn)水流道進(jìn)口為泵裝置進(jìn)口邊界，以質(zhì)量流量為進(jìn)口邊界條件；以出水流道出口為泵裝置出口邊界，出口設(shè)置為自由出流；整個(gè)裝置的固體壁面采用無滑移條件，湍流壁面采用壁面函數(shù)法處理。

4 數(shù)值分析和結(jié)果對(duì)比

為研究引水和排澇工況泵裝置和泵流場狀態(tài)，本文選取工況2和工況3的流場特征進(jìn)行分析，如圖2～5所示。

圖2 泵裝置流線分布

圖3 葉輪工作面壓力云圖

圖4 葉輪背面壓力云圖

圖5 導(dǎo)葉區(qū)域速度矢量

圖6H-Q曲線

圖7 η-Q曲線

圖2為泵裝置流線分布情況，從圖中可以看出，整個(gè)裝置在出水流道和進(jìn)水流道封閉側(cè)產(chǎn)生較大的漩渦，流動(dòng)十分紊亂。流體在進(jìn)水流道后受葉輪的作用大部分液體直接通過葉輪、導(dǎo)葉進(jìn)入出水流道；另一部分流體要到達(dá)進(jìn)水流道封閉側(cè)，再經(jīng)過葉輪和導(dǎo)葉到達(dá)出水流道，這部分流體會(huì)在進(jìn)水流道和出水流道封閉側(cè)產(chǎn)生較大漩渦。

圖3～4為葉輪區(qū)域的壓力情況。由四幅圖片可以看出，葉片工作面壓力高于葉片背面，葉輪區(qū)域流線整體較順暢；葉片進(jìn)口邊外緣有輕微沖擊；葉片進(jìn)口邊外緣工作面和背面壓差較大，導(dǎo)致葉片進(jìn)口邊外緣易發(fā)生汽蝕。

圖5為導(dǎo)葉區(qū)域的流動(dòng)情況。導(dǎo)葉片靠外緣部分流線順暢，葉片出水邊靠近輪轂處有不同程度的回流現(xiàn)象，液體運(yùn)動(dòng)速度方向發(fā)生了較大變化，導(dǎo)葉根部流動(dòng)相對(duì)外緣較紊亂。

為說明CFD模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性，將4個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果與選型結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6～7所示。數(shù)值模擬結(jié)果基本上與根據(jù)泵段和泵裝置模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)選型結(jié)果相差不大，表明泵在運(yùn)行中能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）本文對(duì)泵站的整個(gè)裝置進(jìn)行模擬，包括葉輪和導(dǎo)葉，相較不添加葉輪、導(dǎo)葉或假設(shè)葉輪和導(dǎo)葉的模擬更具真實(shí)性。

（2）由泵裝置流線分布圖可知，進(jìn)、出水流道封閉側(cè)的流動(dòng)較為紊亂，這也是雙向流道效率不高的重要原因。

（3）從模擬結(jié)果和泵段和泵裝置模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看兩者相差較小，表明該泵滿足運(yùn)行要求■