某豎井貫流泵裝置流道CFD數值模擬及模型試驗研究

張劍雄 張馳 許春羚 陸林廣

【摘 ?要】經過流道CFD數值模擬方案的比較，某泵站工程采用了豎井貫流泵裝置。為了驗證CFD計算結果和進行工程水泵裝置模型試驗驗收，在高精度的水力模型通用試驗臺進行了水泵裝置模型驗收試驗。試驗結果表明在葉片安放角度為-2°時，該泵裝置最高效率為80.93%，較大范圍運行工況下空化性能優良，最大飛逸轉速為額定轉速的2.3倍。

【關鍵詞】豎井貫流;模型試驗;數值模擬

1.工程及試驗臺簡介

某泵站工程單機設計流量50m?/s。設計排澇總規模200m?/s，主要由內河側連接段、泵房、外江側連接橋、交通橋等建筑物組成。工程為Ⅰ等，大（1）型水利工程。

該試驗項目在中水北方勘測設計研究有限責任公司的水力模型通用試驗臺上開展，進行了能量特性、空化、飛逸、壓力脈動、拍門損失、進水流道壓差測流等試驗內容【1】。

試驗臺2004年7月20日通過了由水利部組織的技術鑒定，效率綜合允許不確定度優于±0.3%，隨機不確定度在±0.1%以內，并于2018年完成更新改造，提升了運行穩定性指標檢測和分析能力;綜合技術指標居國內領先水平，其測量參數均通過國家級計量認證，具有向社會提供公正水力機械檢測數據的能力和資質。

2.CFD數值模擬試驗

開展泵站進、出水流道數值模擬有助于探求水流在裝置內部的流態變化規律并優化進、出水斷面流速分布、水流方向，提高裝置效率及安全穩定性【2】。經過揚州大學的進水出流道優化設計比選后，確定了水力性能優異泵裝置方案，計算的泵裝置能量性能見表1，設計工況時的流場如圖1。

圖中所示流場表明：在進水流道內，水流流動平緩均勻、流線層次分明，以近乎垂直于葉輪室進口斷面的方向均勻地進入葉輪室;在出水流道內，水流呈螺旋狀在內作邊旋轉、邊擴散的運動，并一直保持這種運動狀態到出水流道的出口，期間未發生脫流。

3.裝置模型試驗

3.1模型試驗條件

在上述數值模擬計算成果的基礎上進行泵裝置模型試驗，以檢驗泵裝置的水力性能。泵裝置為豎井貫流形式，其葉片角度固定不可調節，機組電機采用變頻調節，其裝置的特征揚程如表1所示：

轉輪設計參數為：模型轉輪直徑300mm、葉片數3片、導葉數6片、平均葉片外緣間隙0.4mm。

模型試驗轉速為1250 r/min，模型換算轉速為1450r/min，試驗水質為普通城市自來水。

試驗最小雷諾數為6.91×106，大于規范要求3×106（試驗水溫大于25℃）。

試驗條件滿足《水泵模型及裝置模型試驗驗收規程》 SL140—2006的要求。

3.2能量性能試驗成果

該泵裝置模型進行了從-8度到0度，間隔2°共5個葉片角度，從接近零揚程至零流量，包括小流量不穩定馬鞍區的試驗，原型綜合特性曲線如圖2。

4.結語

（1）模型試驗結果表明該豎井貫流泵裝置在低揚程下具有優異的水力性能，泵裝置效率達到80.93%，設計揚程下的臨界空化余量小于5.5m，且在設計運行范圍內穩定性良好。泵裝置模型試驗是泵站工程建設和更新改造、進出水流道水力優化設計、泵裝置動力性能預測的重要手段與依據。

（2）流道CFD數值模擬與泵裝置模型試驗相結合互相驗證和促進為現代泵站工程研究的典型代表。本項目是對典型低揚程大流量豎井貫流泵CFD計算的實際驗證，同時是計算流體力學的需要;也對模型試驗內容、方法、精度提出了更高要求。

參考文獻：

[1]張弋揚，姜海峰，何成連.南水北調工程水泵模型試驗關鍵技術問題處理[J].水泵技術，2012（3）：4-8.

[2]徐磊，陸林廣，陳偉，等.豎井貫流泵裝置水力設計方案比較研究[J].水力發電學報，2011（5）：207-215.

（作者單位：1.中水北方勘測設計研究有限責任公司;2.揚州大學）