茭陵一站改造進(jìn)水流道可行性的CFD研究

郭 瑞成 立王 麗李言亮

（1.江蘇省淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223005 2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 揚(yáng)州 225009）

茭陵一站改造進(jìn)水流道可行性的CFD研究

郭 瑞1成 立2王 麗1李言亮1

（1.江蘇省淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223005 2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 揚(yáng)州 225009）

茭陵一站改造方案保持原進(jìn)水流道不變，為了保證在新的泵站流量下機(jī)組水力穩(wěn)定性，對進(jìn)水流道內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。基于定常不可壓流體的控制方程和重整化群湍流模型，應(yīng)用SIMPLEC算法，采用雷諾時(shí)均法（RANS）將紊流各種特征變量分解成時(shí)均值和脈動值建立時(shí)均雷諾方程，再引入紊流粘性系數(shù)，建立紊流模型，獲得了不同工況下的進(jìn)水流道內(nèi)流速場和壓力場。研究表明，在各工況下進(jìn)水流道內(nèi)流動均為收縮型流動，流道內(nèi)未見漩渦和回流區(qū)；進(jìn)水流道彎道處未見回流和有害漩渦產(chǎn)生，現(xiàn)有進(jìn)水流道能夠滿足泵站安全運(yùn)行要求。

進(jìn)水流道 泵站 流態(tài) 數(shù)值模擬

茭陵一站更新改造工程泵裝置改造方案為保持原有的土建工程不變，更換水泵機(jī)組、電氣設(shè)備及所有的輔機(jī)設(shè)備。泵站興建于20世紀(jì)70年代末，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平與施工水平有限，原有的肘形進(jìn)水流道是否能夠?yàn)樾碌乃脵C(jī)組提供優(yōu)良的水力條件，保證機(jī)組安全、可靠、高效的運(yùn)行是改造工程成功與否的關(guān)鍵性問題。近年來，隨著計(jì)算流體動力學(xué)和數(shù)值方法的發(fā)展，應(yīng)用CFD（computational fluid dynamics）技術(shù)分析泵及泵裝置內(nèi)水流運(yùn)動已成為趨勢。本文基于Fluent商用CFD軟件對各工況下原有進(jìn)水流道流態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判別原有流道的可用性和泵裝置改造方案的可行性。

1 工程背景

茭陵一站進(jìn)水流道為肘形進(jìn)水流道，流道主要幾何參數(shù)為：進(jìn)口凈寬B=4.5m，流道總長L=11.64 m，出口直徑D=1.68m，其余各部高程詳見圖1。圖中A-A為進(jìn)水流道出口斷面，B-B為葉輪中心斷面。C-C斷面和D-D斷面分別距葉輪中心線1.551D和1.028D。表1為茭陵一站汛期排澇水位、流量資料。

2 水力評判指標(biāo)

進(jìn)水流道為葉輪提供均勻的進(jìn)水條件，其出口斷面的流速均勻性將影響水泵性能的發(fā)揮。擬采用斷面流速分布均勻度Vzu作為葉輪進(jìn)口斷面的水力評判指標(biāo)。

表1 茭陵一站汛期排澇水位、流量資料

圖1 進(jìn)水流道圖

uzi—計(jì)算單元軸向流速分量；—計(jì)算單元面積矢量；

ρ—水體密度；

n—計(jì)算斷面單元個(gè)數(shù)；

mi—計(jì)算單元質(zhì)量，其值為。

3 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

泵站進(jìn)水流道內(nèi)部流動為非定常粘性流動，其流動規(guī)律可用Navier-Stokes方程來描述。采用雷諾時(shí)均法（RANS）將紊流各種特征變量分解成時(shí)均值和脈動值建立時(shí)均雷諾方程，再引入紊流粘性系數(shù)，建立紊流模型。由于進(jìn)水流道內(nèi)流動為強(qiáng)曲率流動，故采用重整化群紊流模型要由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型。

邊界條件設(shè)定：進(jìn)口邊界設(shè)置在前池處，假設(shè)水流已是充分發(fā)展的紊流，比較均勻。進(jìn)口流速場給定，在水深方向設(shè)為對數(shù)式分布。出口邊界取在進(jìn)水流道出口外3倍流道出口直徑延伸處，按照outflow條件給出，為模擬葉輪室前導(dǎo)水錐，在進(jìn)水流道出口處設(shè)置了導(dǎo)水錐。在固體邊壁處規(guī)定無滑移條件（即u=v=w=0），在近壁區(qū)采用上述的壁面函數(shù)法。水面設(shè)置為對稱邊界條件。

圖2 進(jìn)水流道計(jì)算流態(tài)

圖3 各斷面的流速分布圖

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)分析

圖2為計(jì)算得到的設(shè)計(jì)揚(yáng)程下進(jìn)水流道流態(tài)圖。由圖2（a）可見，進(jìn)水流態(tài)穩(wěn)定，水流在流道內(nèi)為收縮型流動，未見漩渦和回流區(qū)。由圖2（b）、（c）可知，進(jìn)水流道彎道實(shí)現(xiàn)流速的轉(zhuǎn)向和加速過程，未見脫流區(qū)，在肘形流道出口內(nèi)側(cè)的流速明顯偏高，出現(xiàn)低壓區(qū)。渦量云圖（圖2（d））表明水流轉(zhuǎn)彎過程中漩渦產(chǎn)生的可能性較小。

圖3為計(jì)算得到的設(shè)計(jì)揚(yáng)程下各斷面的流速分布圖。由圖3（a）可知，進(jìn)水流道的平直段流速逐步加速，較高流速出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)。經(jīng)過流道的轉(zhuǎn)彎作用后，這種情況沒有得到改善，在流道出口斷面達(dá)到了最大值見圖3（b）。再經(jīng)過一段直段的整流作用，在葉輪中心斷面流速分布得到了改善，趨于均勻分布，但仍有最大流速在外側(cè)的趨勢（圖3（c））。

4.2 各斷面流速均勻度及損失分析

表2 各工況下斷面流速均勻度

表2為各斷面處流速均勻度數(shù)值模擬計(jì)算值，計(jì)算表明流道出口斷面（A-A）均勻度較低，葉輪中心斷面流速均勻度達(dá)到了90%以上，這與流速分布規(guī)律一致。

表3為各工況下的進(jìn)水流道損失，計(jì)算結(jié)果表明流道損失與流量的二次方成正比，符合管道損失規(guī)律（H=S· Q2），其中計(jì)算的S為0.002531 s2/m5。

表3 各工況下進(jìn)水流道損失

5 結(jié)論

（1）通過對各種工況的CFD模擬，獲得了各工況下進(jìn)水流道流速、壓力和渦量場。

（2）CFD計(jì)算表明，進(jìn)水流道內(nèi)不同工況流態(tài)相似，均表現(xiàn)為收縮型管道流動，流道內(nèi)未見漩渦和回流區(qū)；進(jìn)水流道口圓弧處未見回流和有害漩渦產(chǎn)生。

（3）該進(jìn)水流道出口處流速均勻性較好，能為改造后水泵葉輪提供良好的水力條件，茭陵泵站改造泵裝置改造方案是可行的。相關(guān)成果已應(yīng)用于工程改造方案論證中■