引江濟淮工程派河口泵站水泵流道優化設計

張鵬

（安徽省水利水電勘測設計院合肥230088）

引江濟淮工程派河口泵站水泵流道優化設計

張鵬

（安徽省水利水電勘測設計院合肥230088）

通過引江濟淮派河口泵站出水流道優化及仿真計算，選擇最佳流道，并經模型裝置試驗驗證說明流道經過優化，裝置效率可以明顯提高，經濟效益也十分顯著。因此對于大型低揚程泵站的流道優化和仿真計算是十分必要的。

流道優化 仿真計算 裝置效率

1概述

引江濟淮工程為國家加快推進的172項重大水利工程之一，其作用是溝通長江、淮河兩大水系、解決淮河以北以及河南省部分地區的缺水問題，具有保障供水、發展航運、改善環境等巨大綜合效益，設計調水流量約300m3/s，從長江引水，通過數個梯級提水泵站輸送至淮北地區，輸水距離700多km。派河口泵站是該工程中二級提水泵站，工程位于肥西境內。該站提水揚程范圍為1.4～5.3m，總設計流量為301.5m3/s，為低揚程大流量泵站。泵站設計裝機9臺（其中1臺備用），單泵設計流量為37.7m3/s。該站采用立式全調節軸流泵，選用經天津南水北調同臺測試的TJ04-ZL-06號水泵模型，水泵葉輪直徑為3.1m，水泵轉速為136.4r/min，配套電動機為TL3000-44/4250立式同步電機，單機功率3000kW，泵站總裝機功率27000kW。該站進水流道為肘形進水流道，出水流道為直管式出水流道。大型灌溉泵站的設計在保證設備安全、可靠運行的同時還要追求裝置的高效，因此在優選水泵和電機的同時，必須對進出、水流道不斷地進行優化。該站進水流道采用比較成熟肘型流道，本文重點介紹借助CFD（ComputationalFluidDynamics）仿真計算手段對擬定的出水流道進行分析比較，選擇最佳流道方案。

2泵站出水流道方案擬定

派河口泵站采用直管式出水，根據泵站的具體布置確定流道長度為15.2m（4.90D1），按《泵站設計規范》中流道出口流速不大于1.5m/s以及流道擴散角的有關規定，定流道出口斷面寬度和高度分別為8.0m（2.58D1）和3.6m（1.16D1）。在流道控制尺寸確定后，為了減少流道損失，提高泵站裝置效率，必須對流道過流斷面進行優化，從出水流態、流道施工難度、工程投資及節能效果等方面進行比選。

2.1 方案一

在擬定的直管式出水流道控制尺寸的基礎上，調整出水流道立面方向彎曲段和平面方向的形線，形成直管式出水流道方案一，該方案的流道單線圖示見圖1，流道線型簡單，土建施工方便。

2.2 方案二

在直管式出水流道方案一的基礎上，將流道平面方向的寬度及過渡圓圓心線由直線形調整為曲線形，形成直管式出水流道方案二，該方案的流道單線圖示見圖2，流道斷面變化采用圓弧過渡，流線相對流暢，但施工難度大于方案一。

2.3 方案三

在直管式出水流道方案二的基礎上，將流道內中隔墩長度減短為6m，形成直管式出水流道方案三，該方案的流道單線見圖3，減少中間隔墩對水泵出水的影響，但增加流道頂板設計難度及工程投資。

2.4 方案四

圖1 直管式出水流道方案一單線圖

圖2 直管式出水流道方案二單線圖

圖3 直管式出水流道方案三單線圖

在直管式出水流道方案三的基礎上，保持流道出口斷面高程及高度不變，將流道轉向后的頂部高程由5.7m調整為7.2m，以增大水流轉向半徑，并相應對流道形線進行調整，形成直管式出水流道方案四，該方案的流道單線見圖4，改善了豎向水流流態，但流道相對復雜，土建施工難度大。

3仿真計算

根據擬定的流道方案進行了仿真分析，計算流道損失，下面介紹計算理論和計算方法。

3.1 控制方程

泵站出水流道內水流的流動屬于不可壓縮湍流流動。湍流流動具有紊動性，用非穩態的連續方程和Navier-Stokes方程對湍流的瞬時運動進行計算。

考慮到湍流流動的脈動特性，采用了時均法，即把湍流運動看作是時間平均流動和瞬時脈動流動的疊加。

3.2 流場的計算區域及邊界條件

圖4 直管式出水流道方案四單線圖

圖5 派河口泵站泵裝置立面單線圖

表1 仿真計算成果見表

為了準確地應用進口的邊界條件，將出水流道計算流場從出水流道進口斷面逆水流方向等直徑延伸，使計算流場的進口斷面設置在距出水流道進口2倍圓管直徑處。這里可認為來流速度均勻分布，因計算流量為已知條件，故計算流場進口邊界可采用速度進口邊界條件。同時考慮導葉出口水流所具有一定的環量，故需在計算流場的進口設置一定的環量。

將出水流道計算流場的出口斷面設置在出水池中距出水流道出口足夠遠處，出口邊界垂直于水流方向。這里流動是充分發展的，可采用自由出流邊界條件。

在計算流場中，出水池底壁、出水流道邊壁及水泵導葉出口的導流帽邊壁等均為固壁，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理對所有固壁處的節點應用了無滑移條件，而對緊靠固壁處節點的湍流特性，則應用了所謂對數式固壁函數處理之。

出水池的表面為自由水面，若忽略水面的風所引起的切應力及與大氣層的熱交換，則自由面的速度和湍動能均可視為對稱平面處理。

3.3 流道網格剖分及算法

在此項數值模擬研究中，進水流道和出水流道三維流動數值模擬計算區域的離散采用了結構化的六面體網格和非結構化的四面體、五面體網格，不規則結構物表面采用三角形網格。非結構化網格可以有效貼合不規則計算邊界，以模擬各種形狀的計算區域。將控制方程在非結構化網格上進行空間積分，獲得以各控制節點流速和壓力為未知變量的代數方程組。離散過程中，均采用二階迎風差分格式。處理壓力與速度耦合關系的算法，直接影響到計算的收斂速度和對計算機性能的要求。此次計算采用SIMPLEC算法。數值模擬實踐證明，該算法的收斂速度和計算精度均良好。

4仿真計算成果

仿真計算成果見表1。從表1可以看出流道經過逐步優化，流道損失逐步降低，方案四效果最好，與方案一相差0.214m。因此推薦方案四作為派河口出水流道。

由肘形進水流道和直管式出水流道方案四組成的派河口泵站泵裝置立面單線圖示見圖5。

5裝置模型試驗驗證

根據CFD仿真計算成果，進行了由肘型進水與方案一和方案四出水流道組合的裝置模型試驗，在設計揚程4.8m，流量37.7m3/s時，方案一與方案四模型裝置效率分別為73.1%和77.07%。按設計揚程時的軸功率及泵站設計年運行小時2949h計算，方案四比方案一年節電約300萬度電。

6結論

通過派河口泵站出水流道的優化及仿真計算可以看出，對于大流量、低揚程供水泵站流道的優化及仿真計算是十分必要的，提高泵站裝置效率非常明顯，不僅節能而且降低輸水成本，效益顯著