大型泵站裝置系統(tǒng)的CFD并行計(jì)算及分析

李 娜，王 杰(. 中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 00054；. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)北京市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全與節(jié)能工程技術(shù)研究中心，北京 00083)

泵站是水利工程最重要的組成部分之一[1]，我國現(xiàn)有450處大型排灌泵站，中小型排灌泵站更是得到廣泛建設(shè)[2]。國內(nèi)外關(guān)于泵站的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果。一般都是把進(jìn)出水建筑物從泵站其他裝置中分離出來作為單獨(dú)的研究對象。泵站進(jìn)出水流道方面[3-5]，國外最早可追溯于20世紀(jì)三四十年代，Kerr和Moyer對軸流泵進(jìn)水池流態(tài)進(jìn)行了研究；50年代，Iversow等對火電站大型泵站的進(jìn)水池的漩渦運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究；七八十年代，各國學(xué)者采用湍流模型來研究流場內(nèi)的流動(dòng)；朱紅耕等[6]對大型泵站肘形進(jìn)水流道三維紊流仿真計(jì)算進(jìn)行了研究；陸林廣等人[7,8]采用數(shù)值模擬的方法研究了進(jìn)水池的幾個(gè)參數(shù)對其水力性能的影響及分析了不同進(jìn)水池的內(nèi)部流動(dòng)情況。為流道水力設(shè)計(jì)優(yōu)化和模型試驗(yàn)提供了依據(jù)。這樣的研究與真實(shí)的流動(dòng)存在一定的誤差。在泵站的選型及設(shè)計(jì)中，還沒有進(jìn)行過全流道的CFD仿真計(jì)算及分析。對整個(gè)泵站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，能更為準(zhǔn)確地分析出泵站系統(tǒng)內(nèi)流場的情況，從而為提高泵站效率及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的理論基礎(chǔ)。

整個(gè)泵站裝置系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)所需要計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量十分巨大，采用CFD并行計(jì)算來進(jìn)行模擬。并行計(jì)算分為本地并行計(jì)算及分布式并行計(jì)算。本地并行計(jì)算操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但受計(jì)算機(jī)本身硬件條件限制較大，對網(wǎng)格規(guī)模上千萬的流場計(jì)算，將耗費(fèi)較多時(shí)間。分布式并行能夠調(diào)用的CPU數(shù)量以及內(nèi)存都可增加，不受單一工作站硬件條件限制，可以使計(jì)算能力大大提高，減小計(jì)算時(shí)間。分布式并行計(jì)算需要涉及的如RSH、SSH等協(xié)議較多，不同工作站之間的數(shù)據(jù)交換依賴網(wǎng)卡綁定技術(shù)，并依賴于交換機(jī)類型，所需要解決的外在計(jì)算機(jī)問題較多。在此背景基礎(chǔ)上，本文建立了實(shí)際尺寸三維流道模型，通過ICEM CFD對全流道進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算劃分，利用ANSYS CFX實(shí)現(xiàn)了泵站裝置系統(tǒng)全流道的并行計(jì)算，并分析了計(jì)算結(jié)果。

1 CFD計(jì)算模型簡介

本文以某大型泵站為研究對象，計(jì)算模型為整個(gè)泵站裝置系統(tǒng)，其中包括前池、進(jìn)水池、進(jìn)水管路、水泵、閥門、出水壓力管、出水池等。進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位19.50 m，出水池設(shè)計(jì)水位69.70 m，設(shè)計(jì)靜揚(yáng)程50.2 m，設(shè)計(jì)流量30 m3/s。安裝水泵機(jī)組5臺(設(shè)計(jì)4工1備)，主水泵為單級雙吸離心泵，進(jìn)口直徑1 000 mm，出口直徑900 mm，單泵設(shè)計(jì)流量3.75 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程53.2 m，轉(zhuǎn)速594 r/min。

1.1 三維模型建立

利用NX UG對泵站系統(tǒng)建立三維物理建模。泵站裝置系統(tǒng)包括前池進(jìn)水池、泵進(jìn)水管、水泵吸水室、水泵葉輪、水泵壓水室、泵出水管、壓力水箱、爬山管、出水池。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM CFD對泵站全流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對泵站裝置系統(tǒng)采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格劃分結(jié)果 個(gè)

1.3 數(shù)值計(jì)算基本設(shè)置

利用ANSYS CFX進(jìn)行泵站系統(tǒng)全流道CFD計(jì)算，流場為泵站裝置系統(tǒng)全流道，流場進(jìn)口給定進(jìn)口流量，流場出口給定出口靜壓0，水泵葉輪流域與水泵吸水室壓水室相接部分定義為固定-旋轉(zhuǎn)交界面。進(jìn)水池與出水池池頂定義為對稱邊界，其余為無滑移壁面。以4臺泵并聯(lián)運(yùn)行為例，進(jìn)口流量7 500 kg/s，旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速594 r/min。選用k-ε湍流模型進(jìn)行模擬。

本文使用戴爾PRECISION T5610工作站進(jìn)行計(jì)算，CPU為英特爾至強(qiáng)系列E5-2630 v2，采用本地并行計(jì)算。

2 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 并行計(jì)算效率比較

并行加速比S與并行效率E為并行計(jì)算效率的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

若串行處理(單CPU)時(shí)計(jì)算所用時(shí)間為t0，并行處理時(shí)計(jì)算所用時(shí)間為tn，并行采用的CPU數(shù)量為N。

則并行加速比S=t0/tn，在理想狀態(tài)下S=N，并行效率E=t0/(Ntn)=S/N。

以4臺泵并聯(lián)運(yùn)行為運(yùn)行工況，以12核CPU、10核CPU、8核CPU、6核CPU、4核CPU分別計(jì)算，進(jìn)行2 000步計(jì)算，以10核為例，計(jì)算時(shí)CPU占用率及所用時(shí)間如表2所示。

表2 并行計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)

以4核CPU計(jì)算所用時(shí)間為計(jì)算基準(zhǔn)得表3所示并行加速比與并行效率。

表3 并行加速比與并行效率

由表3可知，在8核CPU參與計(jì)算時(shí)，得到最高并行效率，此時(shí)計(jì)算機(jī)綜合性能發(fā)揮最佳。

2.2 水泵外特性分析

對4臺泵并聯(lián)運(yùn)行至1臺泵單獨(dú)運(yùn)行的情況分別進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算采集，以4臺泵并聯(lián)運(yùn)行為例(見表4、圖1)，單泵模擬計(jì)算結(jié)果：揚(yáng)程56.915 m，流量3 750 kg/s，效率90.5%。

表4 水泵揚(yáng)程、流量、裝置效率

對同一組運(yùn)行時(shí)多臺并聯(lián)運(yùn)行的水泵進(jìn)行橫向比較，以4臺與3臺泵并聯(lián)為例，見圖1。

圖1 泵站裝置系統(tǒng)模擬水泵揚(yáng)程流量關(guān)系

根據(jù)上述水泵揚(yáng)程、流量的橫向?qū)Ρ汝P(guān)系圖，得到：①泵站裝置系統(tǒng)模擬運(yùn)行情況下所得水泵揚(yáng)程，均大于單泵模擬情況下水泵揚(yáng)程，最大差值為0.415，且相對差值<1%；②由4臺泵并聯(lián)運(yùn)行流量揚(yáng)程關(guān)系圖以及3臺泵并聯(lián)運(yùn)行流量揚(yáng)程關(guān)系圖可知，流量關(guān)于進(jìn)水池中軸線3號泵對稱分布，相應(yīng)水泵揚(yáng)程也對稱分布。

2.3 水泵內(nèi)特性分析

水泵流線圖、速度、壓力分布如圖2所示。圖2展示了水泵工作時(shí)內(nèi)部流動(dòng)中的流線及速度和壓力分布。從圖2(a)觀察可得，水泵在設(shè)計(jì)工況下流線均勻，無明顯漩渦。從圖2(b)及圖2(c)觀察可得，水泵葉片周圍速度及壓力分布均勻，但隔舌部分有明顯的高壓區(qū)。水泵整體運(yùn)行情況良好。

圖2 水泵流線、速度及壓力分布

2.4 進(jìn)水池流態(tài)分析

進(jìn)水池高度為8 100 mm，以進(jìn)水池池頂為基面，作水平截面。在吸入口面所在位置及其上下作參考截面，取距池頂深度4 000、6 000、7 050、7 550 mm作水平截面。以池頂為基面，所做截面的流態(tài)流線圖如圖3所示。

圖3 進(jìn)水池水平截面流線

圖3展示了進(jìn)水池由高到低5個(gè)水平截面中，水流的流動(dòng)方向與流動(dòng)狀態(tài)。由從圖3(a)到圖3(d)的順序觀察可得，與進(jìn)水管水流流動(dòng)方向相同的區(qū)域越來越大，回流區(qū)越來越小。深度4 000 mm，位于進(jìn)水管中軸線上，沿進(jìn)水流動(dòng)方向區(qū)域變大，在入口來流的兩側(cè)，水流受到回流區(qū)水流影響，偏離來流方向；深度6 000 mm，在進(jìn)水管以下，沿進(jìn)水管進(jìn)水流動(dòng)方向流動(dòng)區(qū)域明顯增大，且與回流區(qū)域的交界面產(chǎn)生了明顯的橫向流動(dòng)，可看見明顯的分界面；深度7 050 mm，與水泵進(jìn)水管進(jìn)水面在一個(gè)平面中，沿進(jìn)水管來流方向區(qū)域變的更大，且流動(dòng)狀態(tài)較為均勻；深度7 550 mm，靠近池底，深度深于水泵進(jìn)水管入水面，除了在沒有進(jìn)水管進(jìn)水流動(dòng)位置處產(chǎn)生碰壁回流外，所有流動(dòng)方向都與進(jìn)水管來流方向一致。

由于進(jìn)水池出口面面積與其他固壁邊界面積相比很小，所以大部分在水泵進(jìn)水管入口面以上的水流由于碰到進(jìn)水池墻壁而反彈回流，與向鄰近的水流相互影響，在回流區(qū)域進(jìn)水管進(jìn)水區(qū)相遇，有明顯的流向偏轉(zhuǎn)，在回流區(qū)域與進(jìn)水池靠近底部流入水泵進(jìn)水管入口的水流相遇，產(chǎn)生明顯漩渦。

對4臺泵并聯(lián)運(yùn)行至1臺泵單獨(dú)運(yùn)行情況下，同一高度截面處的進(jìn)水池流態(tài)進(jìn)行橫向?qū)Ρ取＿x取參考截面距池頂深度為7 050 mm，與水泵進(jìn)水管入口的深度相同。

由圖4可知：在1臺泵單獨(dú)運(yùn)行的情況下，除了水泵進(jìn)水管入口處附近流動(dòng)方向朝向水泵外，其余區(qū)域全為回流區(qū)，在進(jìn)水池相鄰的隔墩附近，產(chǎn)生明顯反彈與回流；從2臺泵并聯(lián)運(yùn)行到4臺泵并聯(lián)運(yùn)行，隨著運(yùn)行泵數(shù)量的增多主流區(qū)面積越來越大，水泵進(jìn)水管附近流態(tài)逐漸變好，漩渦與回流減少。

綜上所述，根據(jù)水泵開機(jī)數(shù)量等具體工況的不同，進(jìn)水池內(nèi)部流態(tài)發(fā)生有規(guī)律、漸變性的改變。參與運(yùn)行的泵數(shù)量越多，回流面積越小，主流區(qū)面積越大，進(jìn)水池內(nèi)漩渦繞流越少，流動(dòng)狀態(tài)越均勻。

3 結(jié) 語

泵站裝置系統(tǒng)模擬與各裝置單獨(dú)模擬結(jié)果存在差異，泵站裝置系統(tǒng)模擬更接近實(shí)際流動(dòng)。在泵站裝置系統(tǒng)模擬中，水泵與進(jìn)水池相對位置不同時(shí)，流量、揚(yáng)程與效率不同，相對差值在1%以內(nèi)。由流動(dòng)分析可知，進(jìn)水池存在大面積回流區(qū)域，開機(jī)水泵數(shù)量越多，進(jìn)水流量越大，回流區(qū)面積越小；水深越深，越接近水泵進(jìn)水管進(jìn)水面，回流區(qū)面積越小。進(jìn)水池的流動(dòng)不良狀態(tài)會導(dǎo)致水泵進(jìn)水管進(jìn)口速度分布不均。

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圖4 7 050 mm深度截面流態(tài)

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