基于FLUENT分析泵站出水端流態數值模擬

麻江峰

（山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002）

祁縣賈令提水灌溉工程是汾河灌區節水改造工程項目中的一部分。水源工程包括分水閘、苗家堡泵站、引水管線等部分。主要任務是為賈令鎮、李家堡村附近733.33 hm2，西陽羽村、豐澤村及前營村600 hm2農作物供水，設計流量為0.77 m3/s。本工程取水口位于東干渠昌源河渡槽下游，線路終點位于賈令鎮南1.3km處。取水口分水閘布置在東干昌源河渡槽下游節制閘左側，距離廟堡村約300 m。設分水閘從東干渠渠道取水，經苗家堡泵站加壓提水后，用DN 900球墨鑄鐵管輸水。引水線路全長7.31km，泵站1座，總裝機480kW。工程沿線設排氣閥井13座、排水閥井10座、流量計井 1座、檢修閥室 1座、分水閥室 3座、穿公路段4處、穿河（溝）段1處、鎮墩60個。

1 模型建立

FLUENT軟件具有非常靈活的網格特性，能模擬分析各種任意復雜外形和體積的二維及三維幾何模型，因此其應用也非常廣泛，如層流及湍流問題、可壓縮與不可壓縮流動問題，定常和非定常流、穩態和瞬態流動問題等。FLUENT軟件計算進程和計算結果可以通過監測器隨時觀察，并且計算結果能夠保存多種格式文本。FLUENT軟件求解過程文章用到三個軟件，即前處理軟件（GAMBIT）、求解器（FLUENT）、后處理軟件（TECPLOT）。

苗家堡泵站承擔著提水供水的任務，泵站內有三個進口端和三個出口端，中間安裝3臺水泵，單機流量為0.257 m3/s，裝機容量為3×160 kW。本文選取苗家堡泵站的三個出水端及14.45 m的輸水管線進行流態數值模擬。

根據施工設計圖紙，進行苗家堡泵站的三個出水端及輸水管線的二維模型建立，其中三個出水端管選擇DN 400球墨鑄鐵管，長度分別為11.2 m、11.6 m、12.0 m。輸水管線14.45 m，其中DN 400球墨鑄鐵管2.95 m，DN 600球墨鑄鐵管4.0 m，DN 900球墨鑄鐵管7.5m。利用GAMIBIT軟件進行模型的建立，并導出數據。

2 網格劃分及FLUENT求解

2.1 網格劃分及邊界條件設定

三個出水端及輸水管線合并成一個二維面，對其進行網格劃分，本文采用Quad網格和Submap的劃分方式，網格間距選0.1 mm。設定三個出水端的進水入口為速力入口邊界（velocity-inlet），輸水管線出口為壓力出口邊界（pressure-outlet），完成設置后，進行網格輸出，如圖1。

2.2 FLUENT軟件設置

FLUENT對模型的設定過程包括檢查、顯示和標定網格，然后在對模型進行設計算過程的設置，求解器選擇的是segregated，液體流態為湍流。采用二階離散方法計算，通過觀察殘差監測器中的迭代收斂曲線，分析各項數據是否滿足收斂條件。最后導出數據到Tecplot軟件中進行各種流態分析。管道中的水流軌跡流線圖，如圖2。

圖2 三個出水端及輸水管線內水流軌跡流線圖

3 三個出水端及輸水管道內壓力場分析

在設計流量0.77 m3/s的狀態下，模擬繪制出管道壓力分布圖（見圖3），由圖3可知：三個出水端水管中，上管內壓力在7 000～8 000 Pa，中間管內壓力在4 000～5 000 Pa，下面管內壓力在1 000～2 000 Pa；輸水管線管內2.95 m的DN 400管內壓力在5 000～6 000 Pa，4.0 m的DN 600管內壓力在3 000～4 000 Pa，7.5 m的DN 900管內壓力在-1 0000～0 Pa。三個出水端及輸水管線管道內的壓力分布總體沿水流方向逐漸減小，這是由于水流水頭損失原因造成的。

圖3 三個出水端及輸水管線內壓力分布圖

在最下面出水端和輸水管道交叉處出現壓力分布-2 000～-1 000 Pa的現象，表明該區域產生了負壓，可能產生水錘現象，這對管道是不利的，因此在出水端向輸水管道供水時應特別注意閥門的開啟和閉關時間和開度，在管道施工中也應加強質量控制，尤其是這種管道交叉處更應做好加固措施。

4 三個出水端及輸水管道內速度矢量圖分析

選取X-Velocity和Y-Velocity的速度矢量圖進行分析。X-Velocity的速度矢量圖中輸水管線管內的速度分析可知：2.95 m的DN 400管內速度在0.2～0.4 m/s，4.0 m的DN 600管內速度在0.6～1.0 m/s，7.5 m的DN 900管內速度在0.8～1.0 m/s。在DN 400管內出現速度0.2～0.4 m/s的現象主要是由于中間管道供水時，無形中造成一定阻力，影響其水流行進；在DN 600管內出現速度0～0.2 m/s的現象，除了下面下方水管造成的阻力外，水流管道從DN 400變成DN 600時，上下水流交匯會形成一定漩渦造成的。因此在出現漩渦的管道部位在施工和供水運行時應多加注意，如圖4。

圖4 三個出水端及輸水管線內X-Velocity速度矢量圖

Y-Velocity的速度矢量圖中輸水管線管內的速度分析可知：在靠近管道外邊緣時，流速基本能達到2.4～2.6 m/s，在靠近三個出水端時，流速變緩基本在1.0～1.2 m/s。這說明在三個出水端同時供水時，由于輸水管線有三種尺寸，大大制約了水的流動，在DN 400管內總體流速在2.0 m/s左右，在DN 400管內總體流速在2.5 m/s左右，在DN 400管內總體流速在3.0 m/s左右，如圖5。

圖5 三個出水端及輸水管線內Y-Velocity速度矢量圖

5 結論

通過對苗家堡泵站中的三個出水端及輸水管線內壓力分布和X、Y-Velocity速度矢量分布圖的分析，進一步了解管內水流壓力分布和流速分布，并且找出可能受影響的工程部位，為球墨鑄鐵管在泵站施工和供水運用時提供一定的參考依據。