泵裝置數值模擬初探

陳阿萍陳建波徐 乾黃 磊

（1.常州市城市防洪工程管理處 常州 213000 2.上海寶山水利工程有限公司 寶山 2009403.常州市水利規劃設計院 常州 213000）

1 引言

水泵裝置作為一個整體，包括泵段和進出水流道等，各部分的水流流態相互聯系，相互影響。因此對整個泵裝置進行三維流動數值模擬，不僅可以縮短泵裝置水力優化設計的周期，又可以相對明確地了解整個泵裝置的水力性能。本文借用某大型低揚程立式泵站H站的有關參數，采用數值模擬方法，利用Fluent流體力學分析軟件對葉輪直徑D=3.0m、D=3.4m、D=3.6m泵裝置方案的水力性能進行研究，并對3種方案水力損失進行比較，從而對泵站水泵選型提供一定的參考。

2 泵裝置計算區域及邊界條件

泵裝置整體計算的區域包括進、出水池、進、出水流道和軸流泵5個部分。泵裝置計算區域如圖1所示。

泵裝置計算流場的進口邊界設置在進水池進口處，進口斷面為一垂直于水流方向的斷面。在這里，可認為來流速度在整個斷面上均勻分布。泵裝置計算流場的出口邊界設置在離出水流道出口有一段距離出水池斷面，水流在出水池中經過一段距離的調整，到達出口斷面時認為流動已成單向、完全發展的狀態。

在泵裝置中，將進、出水池底部及進、出水流道邊壁、導葉面及葉輪室輪緣面等處設置為固壁，而將葉輪室段中所有與葉輪一起旋轉的壁面（葉片表面及輪轂等面）設置為移動壁面，移動速度和方向與葉輪旋轉的速度和方向一致。

3 裝置計算區域網格剖分

圖1 泵裝置計算區域網格剖分圖

軸流泵在工作時，葉輪部分是旋轉的，而其他部分是靜止的，因此在計算時要將計算域劃分為動靜兩個區域，每種子區域使用不同的參考坐標系。葉輪室部分采用旋轉坐標系，其他部分采用靜止坐標系，利用葉輪室的進、出口平面將這兩個區域分開。

對整個泵裝置進行網格剖分時要從網格的數量和質量兩個方面考慮。從理論上講，劃分網格時使用的節點間距越小，網格就越密，進而可以獲得更精確的流場。然而過密的網格會導致網格單元總數和節點總數顯著增加，這樣不僅增加計算量，而且對計算機的硬件要求較高。另一方面，若網格節點的間距較大，則可能會造成網格單元的等角斜度（Equiangular Skew）較大，造成網格質量較差，進而影響到計算結果的精度。

鑒于對網格數量和質量的兼顧，本文對整個泵裝置不同部位的網格劃分采用不同的網格類型和不同的intervalsize。首先，在泵段部分，由于該部分結構較復雜，因此采用適用較強的Tgrid網格，網格節點亦采用較小的intervalsize，并在此基礎上對葉片、導葉片等重要部位局部加密，使之能夠更為準確地反映葉片細部的實際情況；進、出水流道部分，同樣采用適應性較強的Tgrid網格，考慮到流道型線在單位長度上扭曲程度較小，同時為了減少網格數目，故適當增加了此部分的網格間距；進、出水池部分采用Cooper網格結構，在這里主要從減少網格數量方面考慮。整個裝置部分網格剖分如圖1所示。

4 泵裝置數值模擬結果

本文對3個方案泵裝置在設計流量34m3/s、葉片角度為0°工況下的流動情況進行了數值模擬，并對計算流場進行了比較。3個方案的泵裝置在設計流量下的流場圖見圖2。

圖2 各方案泵裝置的流場圖

4.1 進水流道流場計算結果

由圖2可以看出：與不同葉輪直徑相配套的進水流道在直線段內流態平順，流速逐漸增大；進入彎管段后，水流逐步轉向和加速，流道內側流速明顯大于外側流速；在圓錐段內，水流經過圓錐段的段距離調整后，在接近于流道出口處，水流基本上趨于均勻分布且垂直于出口斷面。

4.2 泵內流場計算結果

從圖2中可以清楚地看出這3個方案泵裝置泵段部分同軸面上的流速分布情況：水泵在設計工況下運行時，葉輪室及其導葉內部流動情況較好，無不良流態；葉輪室出口的切向流速較大，但經過導葉調整后，導葉出口斷面的切向流速有明顯的減小，整個斷面以軸向速度為主。

4.3 出水流道流場計算結果

由圖3可以看出：導葉出口水流存在一定的旋轉環量，因此水流是旋轉著進入出水流道的，出水流道在上升段內流速逐步減少，無脫流現象；下降段內水流由于受到水流慣性和環量的雙重作用，導致主流偏向流道的左側上部，而在流道右側下部區域可能出現局部旋渦；由流場圖可以看出，方案1的出水流道在下降段的右下方存在較大范圍的漩渦，隨著葉輪直徑的增大，與其對應的出水流道內的流態有明顯的改善，方案2的出水流道雖然在流道的右下方仍有漩渦存在，但漩渦的范圍已縮小很多，強度也明顯減弱，方案3的出水流道內已無不良流態。4.4流道水力損失計算結果

表1 3個泵裝置方案的流道水力損失表

利用Fluent的后處理環節的報告功能，分別獲得葉輪進口和導葉出口的總能量，根據兩者差值可以計算泵段揚程Hpump：

式中：Ppump_in為葉輪進口的的總壓，Hpump_out為導葉出口的總壓。

同理，水泵的裝置揚程可由下式求得：

式中：Hsystem為泵裝置揚程，Pin為泵裝置進口總壓，Pout為泵裝置出口總壓。

則流道的水力損失可由下式求得：

式中：hf為流道水力損失，Hpump為泵段揚程。

根據上述公式可計算出這3個方案的泵裝置在設計流量下的流道水力損失，結果見表1。

5 結論

本文采用整體研究的方法對不同葉輪直徑的3個泵裝置進行了三維湍流流動數值模擬，并對計算結果進行了比較分析，得到如下結論：在設計流量一定的條件下，適當選取較大的水泵葉輪直徑有利于改善進、出水流道的流態和減少進、出水流道的水力損失，進而提高泵站裝置效率