臥式泵站直管式出水流道型線變化水力性能數值模擬

2020-04-15 06:06:58顏紅勤蔣紅櫻周春峰

中國農村水利水電 2020年1期

顏紅勤，蔣紅櫻，周春峰，成立，湯雷

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029；2.江蘇省南京市水務局設施管理中心，南京 210029；3.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225009)

0 引言

出水流道是連接水泵導葉出口與出水池的銜接通道，其作用是為了水流在從水泵導葉出口流入出水池的過程中更好地轉向和擴散，在不發生脫流或漩渦的條件下最大限度地回收動能[1]。直管式出水流道由于斷面形狀簡單，施工方便，水力損失小等優點，在揚程較低的大、中型泵站中被廣泛應用。

目前，國內學者對出水流道進行了廣泛研究，研究主要內容有：直管式出水流道優化水力設計研究[2]；泵站出水流道模型水力損失的測試[3]；直管式出水流道模型試驗研究[4]；貫流泵裝置及進出水流道數值模擬分析[5]；水泵轉速變化對出水流道水力損失的影響[6]；泵站進出水流道優化設計目標函數研究[7]等。水流經葉輪旋轉通過導葉回收部分環量，但仍有一部分環量未完全消除，并對出水流道的水力性能產生影響。前人對直管式出水流道型線演變研究較少，因此，本文對臥式泵站直管式出水流道進行數值模擬，采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技術，探討出水流道在有剩余環量情況下，改變直管式出水流道型線對其流道內水力損失及特征斷面水力性能的影響，研究成果為出水流道的水力設計提供理論依據。

1 工程概況

某單向臥式引水泵站，設計引水流量100 m3/s，設有3臺機組，葉輪直徑3 300 mm，葉片數為3片，葉片角度為0°，導葉數為5片，葉輪轉速為131.82 r/min。每臺泵設計流量33.3 m3/s，配套電機功率1 600 kW,總裝機4 800 kW；出水流道采用直管形式，總長17.6 m。

某單向引水泵站運行特征水位見表1。

表1 某單向引水泵站運行特征水位 m

2 計算模型及數值計算

2.1 三維建模及控制參數

該單向臥式引水泵站采用直管式出水流道，葉輪直徑為3 300 mm，單機設計流量33.3 m3/s，出水流道出口尺寸8 000 mm×6 006 mm(寬×高)。選取5個斷面為漸變段結束位置。

計算區域包括進水延伸段、葉輪、導葉、出水流道、出水延伸段5部分，其實體造型圖如圖1所示。

圖1 貫流泵出水流道實體造型圖

2.2 數值計算方法及邊界條件

本文基于大型商用軟件ANASYS CFX數值計算，基于不可壓縮流體的連續性方程和雷諾時均N-S方程，忽略熱交換，湍流模型采用RNGk-ε模型，采用有限體積法求解，計算格式為高階迎風，收斂精度為10-4。將進水延伸段進口作為整個計算域的進口，進口邊界條件采用質量流，將出水延伸段出口作為整個計算域的出口，出口邊界條件設置為一個標準大氣壓；在固體邊壁處規定無滑移條件，近壁面采用標準壁面函數法處理，動靜交界面采用凍結轉子(Frozen Stator)模型，以保證交界面的連續性。

2.3 網格剖分

各計算部件在UG中進行參數化建模，然后導入Mesh中進行網格劃分。采用六面體結構化網格對計算域進行網格劃分，整個計算域y+值在30～500之間[8]，葉輪網格節點數為80.27 萬個，導葉網格節點為106.98 萬個，出水流道網格節點數為20.39 萬個，經網格無關性計算，當總體網格數達到232 萬個時，泵裝置揚程和葉片扭矩波動值均小于1%，滿足計算要求。

圖2 計算網格示意圖

3 研究方案設計

根據初步分析，影響直管式出水流道水力性能的主要參數有：漸變段長度L1，出水流道總長度L，出水出口斷面寬度B，出口斷面高度H等。因此設計13種典型出水流道進行對比分析，方案1～5的出水流道斷面形狀由圓變方，斷面寬度在平面和立面方向均逐漸擴大；方案6～9在平面方向上斷面寬度先擴大后保持不變，保證漸變段之后的流道寬度與出口斷面寬度保持一致，而在立面方向的斷面均勻擴大；方案10～13出水流道在平面與立面方向斷面形狀均先擴散后保持不變。各方案出水流道的尺寸見表2。

圖3 出水流道研究方案設計參數圖

表2 直管式出水流道設計參數表

4 結果與分析

4.1 出水流道內部流動特性分析

圖4為方案1～13在設計流量(Q設=33.3 m3/s)工況下的出水流道內部流動特性，圖5及圖6分別為方案5在Q=0.75Q設(Q=24.975 m3/s)的小流量工況與Q=1.25Q設(Q=41.625 m3/s)的大流量工況下的出水流道內部流動特性。取各方案出水流道三維流線圖及4個特征斷面流速云圖。

圖4 出水流道三維流線圖及速度云圖方案(設計流量工況，方案1～13)

水流在葉輪旋轉加速作用下具有一定的環量，水流流出葉輪進入導葉，導葉對環量具有一定的回收作用，但是導葉還不能完全回收環量，導致流道內水流呈螺旋狀。由方案1～5可看出，在設計流量工況下，當漸變段較短時，水流來不及重新分布，導致出水流道中間斷面水流流速分布不均勻，表現為一側速度大，而另一側速度略小一些，且靠近流道進口處流態紊亂，隨著漸變段長度的增加，流態分布愈均勻，且斷面流速分布明顯改善。對比方案6～9可知，改變平面方向寬度時，流道內低速區有前移趨勢，且流道內部存在脫流，隨著漸變段長度增加，流態改善明顯；而對比方案10～13可知，漸變段長度較短時，流道內存在大面積脫流，靠近流道進口處斷面上低速區范圍變大，流速分布非常不均勻。其中，方案5最好。對比圖4、圖5和圖6中方案5的出水流道三維流線圖與特征斷面流速云圖可知，在3種不同流量工況下，出水流道內流態均平順穩定，流速分布均勻。

圖5 出水流道三維流線圖及速度云圖(小流量工況，方案5)

圖6 出水流道三維流線圖及速度云圖(大流量工況，方案5)

4.2 出水流道各斷面水力指標評判

為了分析直管式出水流道斷面流態，引入出水流道壓力恢復系數ζ反映出水流道對壓能的回收情況并計算各方案下出水流道水力損失，各計算公式如下：

(1)

(2)

式中：ζ為出水流道壓力恢復系數；E壓為出水流道出口壓能，m；E進為出水流道進口壓能，m；hf為水力損失；P為出水流道進口斷面1-1與出水流道出口斷面2-2的總壓之差；ρ為流體密度；g為重力加速度。

計算了各方案下貫流泵出水流道水力損失以及出口斷面壓力恢復系數,計算結果如圖7所示。

由圖7可知，在設計流量工況下，各方案出水流道隨著漸變段長度增加，水力損失逐漸減小，而出水流道壓力恢復系數隨漸變段長度的增加而增大，出水流道回收動能的能力越強，均達到97%以上；當不同形式下的漸變段處于同一位置時，越靠近進口處，出水流道水力損失相差越大，最大相差約16.95 cm，壓力恢復系數相差約1.5%，其中方案5水力損失最小為9.26 cm，且流道壓力恢復系數達到最高為98.81%。