不同運行方式對一體化預制泵站流動特性和筒體強度的影響

張子旭，王 凱,2，陳 昆，楊建華，王淑紅，王 玥

(1. 江蘇大學 流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013；2. 江蘇大學鎮江流體工程裝備技術研究院，江蘇 鎮江 212009； 3. 寧波巨神制泵實業有限公司，浙江 寧波 315135； 4. 泰州市罡陽噴灌機有限公司，江蘇 泰州 225300； 5.中國航發西安動力控制科技有限公司，西安 710077)

隨著我國城市化快速發展造成的“熱島效應”和“混濁島效應”增強，城市暴雨頻率不斷增加。而目前國內許多城市排水管網設計標準普遍較低，排水系統建設滯后，導致“逢雨必澇”已經成為我國城市重大災害之一。泵站是排水儲水系統的重要設施，是管網上的重要節點，但運用混凝土泵站的管網改造成本高，施工難度大，費效比低，而一體化泵站則很好地解決了這些問題。

一體化預制泵站是一種集潛水泵、泵站設備、除污格柵設備、控制系統及遠程監控系統于一體的產品，其特點是機動靈活，泵站建設周期極短，安裝極其簡便。在歐洲，一體化預制泵站已經有了近50年的使用歷史，我國于2010年開始引入，目前在國內的生產運用變得越來越廣泛[1]，有許多學者和研究人員對一體化泵站的應用范圍和結構設計進行了探索。候宏林結合泵站引、排、灌的一體化建設，指出泵站的一體化設計施工，能夠合理的減少占地，優化泵站建設方案，縮短建設周期、節約泵站的投資成本[2]。欒金秀、王卓穎、馬秀美等通過比較一體化泵站與傳統泵站的優缺點，闡述了一體化泵站的設計要點和使用注意事項[3-5]。孟凡有等從筒體有效容積及其內部揚程損失、抗浮設計及校驗、基礎螺栓選用以及筒體結構強度等方面，詳細介紹了一體化預制泵站的選型設計及施工注意事項[6]。林建光等介紹了環創粉碎型格柵的工作原理，以及在一體化預制泵站中的應用[7]。

由于預制泵站高度集成化和自動化的特點，所以預制泵站的設計需要便于安裝施工、防止雜質沉淀以及改善水泵的進口入流條件，以達到內部流態好、無堵塞甚至自清潔的功能。目前數值計算是公認的高效可靠的設計驗證方法，馮俊豪對設計的兩種不同泵坑方案進行了流動分析，比較了兩種泵坑內的流動狀態及其對排污泵入流狀態的影響[8]。王默從不同水泵安裝位置、泵坑形狀、導水錐幾何尺寸3個方面分析了一體化泵站幾何參數對水力性能的影響[9]。

目前一體化泵站的內流狀態方面的研究，還存在以下兩點問題，一方面由于只計算泵坑區域，將自由液面作為壁面，忽略了大氣壓力的影響，因而產生了不小的誤差。另一方面所設計的泵坑和結構參數不便于安裝施工，不具有實際參考性。另外數值計算的內容局限于內流狀態，忽略了筒體強度等重要的信息，對工程應用的參考性不大。因此，本文基于VOF模型和Workbench分析了泵運行位置、工作水位、潛水泵高度等運行方式對一體化預制泵站流動特性和筒體強度的影響，以期為一體化預制泵站的設計及優化提供借鑒。

1 物理模型及數值計算方法

1.1 幾何模型設計

一體化預制泵站的主要參數為：井筒直徑D=3.8 m，高度h=7.2 m，壁厚z=25 mm，泵站規模Q=2 400 m3/h，采用混流式潛水泵3臺，2用1備，分別標記為P1、P2和P3，單泵設計流量Qd=1 200 m3/h，揚程為H=10 m，功率P=45 kW，轉速n=1 450 r/min。筒體材料為玻璃鋼，拉伸彈性模量為11.9 GPa，拉伸強度為153 MPa。一體化預制泵站的結構如圖1所示。

圖1 一體化預制泵站結構圖Fig.1 Structure of integrated prefabricated pumping station

本文主要從泵的運行位置、工作水位、潛水泵高度3個因素分析一體化預制泵站內流狀態，因此基于常規泵站結構(泵對稱運行、5 m工作水位、1 m潛水泵高度)設置3個對比方案，共6個方案，如表1所示。

表1 不同運行方式Tab.1 Different operation modes

采用Pro/E對計算域進行三維造型，其中包括混流式潛水泵水體和一體化預制泵站筒內水體，其中潛水泵計算域包括：葉輪、間隙、蝸殼，如圖2所示。

圖2 一體化預制泵站水體造型Fig.2 Water modeling of integrated prefabricated pumping station

1.2 網格劃分

本文采用ICEM對計算域進行網格劃分。為了保證較高的網格質量和邊界層網格尺，并且葉片均為圓柱葉片，故采用適應性較好的非結構化六面體網格，并對葉片及隔舌附件區域進行局部加密，對網格進行無關性檢查后采用第2套網格。潛水泵的網格無關性檢查如表2所示。潛水泵計算域網格劃分如圖3所示。

1.3 流動數值計算方法

選用商業軟件ANSYS FLUENT，針對一體化預制泵站內部流動的特點，由于運動網格區域與靜止網格區域間的相互作用比較微弱，網格規模較為龐大，采用計算較為方便的多重坐標系模型[10]，葉輪流場設置為旋轉坐標系，其余部分均采用靜止坐標系，在動靜兩種計算域之間設置數據交界面。在定常數值計算中，采用凍結轉子交界面，以時均N-S方程作為基本控制方程。計算域固體壁面設置為無滑移邊界條件，近壁處由于黏性效應很大，采用Scalable壁面函數。筒體進口設置為質量流量進口，流量為666.66 kg/s。管道出口設置為自由出流[11]。

表2 潛水泵的網格無關性檢查Tab.2 Mesh independence of submersible pump

圖3 潛水泵網格Fig.3 Mesh of submersible pump

兩相流模型選取能夠準確模擬互不摻雜多相流動的VOF模型。定義水和空氣的介質屬性，標記液位高度，通過Patch功能來實現氣液兩相的初始分布，氣相與大氣不相通。為了更好的運算，采用SIMPLE算法來求解壓強-速度方程，體積分數的空間離散方式選用“Geo-Reconstruct”。

本文中使用VOF兩相流模型，液相和氣相只在交界面處有少量混合，符合實際的運行情況。由于上層空氣的壓力恒定，且氣液相之間沒有明顯的混合運動，所以提取液面以下的液相流場進行特別分析。分別對XZ、YZ和XY平面(h=3 m)的流場進行比較，平面的位置如圖4所示。

圖4 不同平面示意圖Fig.4 Schematic diagram of different planes

圖5給出了報警液位下XZ平面和YZ平面氣體體積分數。從圖中可以發現氣液相之前沒有混合，分界明顯，因此可以證明本文采用的VOF兩相流模型能夠準確模擬一體化預制泵站內部流動狀態。

圖5 預制泵站YZ平面氣體體積分數Fig.5 Gas volume fraction of YZ plane

1.4 應力應變計算方法

根據一體化預制泵站筒內流場計算結果，基于流固耦合，采用ANSYS Workbench 的Static Structural (ANSYS)模塊，對預制泵站在不同液面下工作時筒體所受應力進行計算。將筒底設置為固定面，整體施加重力載荷，如圖6所示。對流固耦合作用面施加水力載荷，選擇筒體內壁面進行計算。選擇默認網格尺度劃分固體域網格，圖7為一體化預制泵站結構模型的網格[12]。

圖6 設置固定面Fig.6 Setting of the fixed surface

圖7 一體化預制泵站結構模型網格Fig.7 Structural model mesh of integrated pumping station

1.5 混流泵外特性分析

圖8給出了該混流式潛水泵的數值計算與試驗的外特性曲線。由圖8可知，數值計算結果與試驗結果趨勢保持一致。設計工況下效率的計算值為84.6%，試驗值為81.2%，預測偏差為3.4%；揚程的計算值為10.38 m，試驗值為10.1 m，預測偏差為2.7%。其他各工況下的揚程計算結果和試驗結果之間的誤差均小于5%。因此，該混流式潛水泵的數值計算方法是可行的。

圖8 數值計算與試驗的外特性比較Fig.8 External characteristics with numerical calculation and experimental measurement

2 不同運行方式對一體化預制泵站內流特性的影響

2.1 泵運行位置對一體化預制泵站內流特性的影響

由于該預制泵站配備有3臺污水潛水泵，兩開一備，選取其中的一種相鄰位置和兩側分布位置進行模擬研究，泵站在正常水位下運行。圖9～圖11分別為不同泵運行位置下XZ、YZ和XY平面的液相流線圖和流速云圖。

圖9 不同泵運行位置下XZ平面流場Fig.9 Flow field under different pump operation positions of XZ plane

圖10 不同泵運行位置下YZ平面流場Fig.10 Flow field under different pump operation positions of YZ plane

圖11 不同泵運行位置下XY平面流場Fig.11 Flow field under different pump operation positions of XY plane

從圖10可以看到3臺泵的輪廓，并且在泵的入口處存在明顯的高速區，在潛水泵對稱運行的情況下，泵坑附近的流線也基本呈對稱分布，不過由于潛水泵的安裝方向相同，右側泵離筒壁的距離大于左側泵，也導致右側的流速更快，左側的流場趨于雜亂。而在相鄰運行的情況下泵筒右上方的渦流面積增大，右側的液相被兩臺潛水泵拖拽至泵內入口，由于液相受力基本在一個方向，導致中間潛水泵的入口偏流角較大，長期在這種情況下運行，會導致泵的性能下降，而對左側筒壁的壓力堆積，也會造成一些不對稱形變。

從圖11可以看出不管是對稱運行還是相鄰運行，XY平面都出現了兩個范圍較大的漩渦，而當潛水泵對稱布置時漩渦的大小形狀也基本呈對稱分布，而相鄰運行時，在閑置泵的左側的渦流范圍更大，這與YZ平面相鄰運行時渦流的運動軌跡也相符合。另一方面，當泵對稱運行時兩個漩渦的旋轉方向是相反的，而相鄰運行時方向是相同的。

2.2 工作水位對一體化預制泵站內流特性的影響

該一體化泵站正常運行時水位維持在5 m左右，而啟泵水位為4 m，報警水位為5.5 m。圖12～圖14分別為不同工作水位下XZ、YZ和XY平面的液相流線圖和流速云圖。

圖12為不同工作水位下XZ平面的流場。由于該平面遠離泵的運行范圍，所以基于一體化泵站的工作要求，該平面上的流場越雜亂，流速均勻度越小，越能達到沖擊污物，防止堆積的效果，可以看到正常液位下漩渦數量最多，啟泵液位下泵坑處流速最大，而報警液位下由于水量較多，流動也比較均勻，容易導致泥沙、雜物的聚集。從理論角度考慮，液位越低時，XZ平面的流場越雜亂，流速越高，防沉積效果也最好，但在實際工作環境下，需要考慮一體化泵站的有效容積，液位不能過低。

圖12 不同工作水位下XZ平面流場Fig.12 Flow field under different water levels of XZ plane

圖13為不同工作水位下YZ平面的流場。可以看到潛水泵的入流狀態，在啟泵液位下運行時，泵坑處流速較快流線雜亂，也導致了入口偏流角較嚴重。而報警液位下運行時，雖然潛水泵入口中心部分入口偏流角很小，但在邊緣處產生了漩渦，且整體流速平緩，不利于泵坑的自清潔。

圖13 不同工作水位下YZ平面流場Fig.13 Flow field under different water levels of YZ plane

圖14為不同工作水位下XY平面的流場。可以很清楚地看出，當啟泵液位下運行時，流線較為雜亂，擾流較多，未能形成明顯的對稱分布的趨勢，下側的漩渦較大。隨著液位的升高，XY平面的平均流速下降，流線也逐漸呈對稱分布。

圖14 不同工作水位下XY平面流場Fig.14 Flow field under different water levels of XY plane

2.3 潛水泵高度對一體化預制泵站內流特性的影響

圖15～圖17分別為不同潛水泵高度下XZ、YZ和XY平面的液相流線圖和流速云圖。當泵的安裝高度為0.5 m時，雖然泵坑附近的流速很快，高速區更接近需要清洗的區域，但是泵的入口過于靠近壁面，流體不能得到有效的緩沖，產生了漩渦，且入口偏流角也較大。當泵的安裝高度為1.5 m時，泵的下方分成了兩部分的漩渦，而逆向流的影響導致了泵入口高速區的較小，不利于污物被吸入泵內。

圖15 不同潛水泵高度下XZ平面流場Fig.15 Flow field under different submersible pump heights of XZ plane

圖16 不同潛水泵高度下YZ平面流場Fig.16 Flow field under different submersible pump heights of YZ plane

圖17 不同潛水泵高度下XY平面流場Fig.17 Flow field under different submersible pump heights of XY plane

圖18 不同泵運行位置下筒體應力分布(單位：MPa)Fig.18 Stress distribution of cylinder under different pump operating positions

3 不同運行方式對一體化預制泵站筒體強度的影響

3.1 泵運行位置對一體化預制泵站筒體強度的影響

圖18為不同泵運行位置下的筒體應力分布。筒底的應力均大于筒頂的應力。潛水泵對稱運行時筒體最大應力為0.068 3 MPa，相鄰運行時最大應力為0.062 4 MPa，但潛水泵相鄰運行時筒體的平均應力更大，靠近出水管的一側筒壁有壓力堆積，導致應力也很集中。

圖19為不同泵運行位置下的筒體應變分布。在不同泵運行位置下，筒體的變形大致相似，整個筒壁向外輕微膨脹，靠近出水管的一側筒壁變形大于周圍壁面，整體的應變從筒底至頂部逐漸增大，呈現出均勻的應力波紋。潛水泵對稱運行時最大應變為0.003 9 mm，分布在筒頂處。潛水泵相鄰運行時最大應變為0.005 mm，分布在出水管附近。

圖19 不同泵運行位置下筒體應變分布(單位：mm)Fig.19 Deformation distribution of cylinder under different pump operating positions

3.2 工作水位對一體化預制泵站筒體強度的影響

圖20為不同工作水位下的筒體應力分布。啟泵液位下筒體最大應力為0.15 MPa，正常液位下最大應力為0.068 MPa，報警液位下最大應力為0.043 MPa。從圖中可以發現，高液位下筒體的平均應力更大。

圖20 不同工作水位下筒體應力分布(單位：MPa)Fig.20 Stress distribution of cylinder under different water levels

圖21 不同工作水位下應變分布(單位：mm)Fig.21 Deformation distribution of cylinder under different water levels

圖21為不同工作水位下的筒體應變分布。對比圖19可以發現，工作水位的變化對筒體形變的影響相對較大，整體的應變分布也不一樣，但都符合從筒底至筒頂逐漸增大的原則，啟泵液位下筒體最大應變為0.006 3 mm，集中在進水管處。正常液位下最大應變為0.003 9 mm，均勻分布在預制泵站的筒頂，報警液位下最大應變為0.004 2 mm，集中在出水管一側的筒壁上。

圖22為不同工作水位下筒體的最大應力應變。從中可以看到：隨著液位的上升筒體的最大應力下降。受到預制泵站結構因素的影響，最大應變則隨著工作水位的變化先減小后增大。

圖22 不同工作水位下筒體最大應力應變Fig.22 Maximum stress and deformation of cylinder under different water levels

3.3 潛水泵高度對一體化預制泵站筒體強度的影響

圖23為不同潛水泵高度下的筒體應力分布，泵的安裝高度為0.5 m時筒體最大應力為0.072 MPa，泵的安裝高度為1 m時最大應力為0.068 MPa，泵的安裝高度為1.5 m時最大應力為0.038 MPa，從圖中可以發現，泵的安裝高度越高，筒體的平均應力越大。

圖23 不同潛水泵高度下筒體應力分布(單位：MPa)Fig.23 Stress distribution of cylinder under different submersible pump heights

圖24為不同潛水泵高度下的筒體應變分布。泵的安裝高度為0.5 m時筒體最大應變為0.005 3 mm，泵的安裝高度為1 m時最大應變為0.003 9 mm，泵的安裝高度為1.5 m時最大應變為0.002 6 mm。

圖24 不同潛水泵高度下應變分布(單位：mm)Fig.24 Deformation distribution of cylinder under different submersible pump heights

圖25為不同潛水泵高度下的筒體最大應力應變。隨著安裝高度的增加，筒體最大應力應變都在下降。

4 結 語

本文基于VOF模型研究了潛水泵運行位置、工作水位、潛水泵高度對一體化預制泵站流動特性和筒體強度的影響，主要結論如下。

(1)潛水泵對稱運行時，入口偏流角較小，有利于提高潛水泵的使用壽命。

(2)液位越低時流場越雜亂，流速越高，防沉積效果也最好，但在實際工作環境下，需要考慮一體化泵站的有效容積，液位不能過低。

(3)泵的安裝高度為1 m時，可以使流體在入口得到緩沖，并有效規避逆向流的影響。

(4)一體化預制泵站的應力從筒底至筒頂逐漸減小，應變則逐漸增大。隨著工作水位和安裝高度的上升筒體最大應力均下降；隨著安裝高度的上升筒體最大應變減小。