基于DPM和RSM的一體化預制泵站結構優化

夏瑞超 ，劉厚林 ，張子旭 ，王 凱 ，2

（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）

0 引言

一體化預制泵站由潛水排污泵、泵站設備、清污格柵設備、控制系統和遠程監控系統集成而成，具有機動性強，施工周期極短，安裝方便等優點，可實現無人值守的遠程監控功能，廣泛應用于城市污水處理領域。同時由于預制泵站高度的集成化和自動化等原因，導致人工清理泵站的周期通常按月來計，長時間泥沙和雜物沉積得不到有效清理，極大影響預制泵站內部的流態，壓縮泵站內部有效容積，造成排污輸水效率的明顯下降。此外，污物長期淤積會腐蝕泵站材料，產生廢氣，不僅會影響周圍環境，甚至危脅維修清理人員的生命健康。

王卓穎等［1］闡述了一體化預制泵站在體積優化、投資性價比上的明顯優勢。王磊［2］以松嘉中路下穿滬寧立交排水工程為例，主要闡述了預制泵站的優勢特點和相關制造技術。湯慶豐等［3-6］分別以農村城鎮污水泵站和濱海雨水泵站為例，集中展示了小規模一體化預制泵站組合設計的技術路線。林建光等［7］介紹了環創粉碎型格柵在一體化預制泵站中的工作原理。孟凡有等［8］從筒體有效容積、內部揚程損失、抗浮設計及校驗、筒體結構強度等方面，羅列了一系列關于一體化預制泵站的選型設計的注意事項。胡凱等［9］以傳統泵站有效容積的計算方法為基礎，與一體化預制泵站自動控制系統中水泵的起停設置方式相結合，理論推導出水泵最小的起停時間間隔。馮俊豪［10］分析比較了不同形狀泵坑內的流態及其對排污泵入流條件的影響。李清等［11］針對大流量運行工況，分析了預制泵站出口管路內的速度和壓力分布、流量分配及泵站底部的流動特征。查智力等［12］發現隨著流量的增大，預制泵站的進水損失隨著流量的增大而增大，同時出水損失先減后增。王默［13］闡述了潛污泵安裝參數和泵坑形狀對一體化預制泵站水力性能的影響。談正強［14］分析了小流量工況下筒體內的流動分布，以及大流量工況下流量分配原則和各筒體內的流動特征。張子旭等［15］分析了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。陳義春等［16］采用數值計算方法研究了進水管位置對于泵站內部流態的影響，減少了泵站內不穩定流動的范圍。

目前對于一體化預制泵站結構優化的研究較少，為此，本文基于DPM（Discrete Phase Model）分析圓筒式一體化預制泵站內的沉積率，并針對圓筒式預制泵站的流動問題，將其改成隔流式，同時采用響應面法對隔流式預制泵站進行優化，以期為防淤積型預制泵站提設計供一定的借鑒。

1 研究模型及沉積計算方法

1.1 研究模型

圓筒式一體化預制泵站的主要參數為：筒體直徑為1 200 mm，進水管直徑為100 mm，進水管高度為820 mm，運行液位為1 200 mm，泵站設計規模Q=84 m3/h，采用潛污泵2臺，單泵設計流量Qd=42 m3/h、揚程 H=10 m、轉速 n=1 480 r/min。圖1為一體化預制泵站結構示意。

圖1 一體化預制泵站結構示意Fig.1 Schematic structural diagram of integrated prefabricated pumping station

1.2 三維建模及網格劃分

使用三維軟件Pro/E對預制泵站各零件進行三維造型，其中包括潛物泵水體和一體化預制泵站筒內水體，潛污泵水體分為葉輪、間隙水體和蝸殼，如圖2所示。

圖2 一體化預制泵站計算域Fig.2 Computational domain of integrated prefabricated pump station

計算前處理采用ICEM軟件對計算域進行網格劃分，為了保證較高的網格質量并考慮邊界層網格尺寸，采用自適應性較好的非結構化六面體網格，對葉片及隔舌附近區域進行局部加密。

潛污泵的網格無關性檢查見表1。對網格進行無關性檢查后采用第2套網格方案，另預制泵站筒內水體網格數為1 362.9萬。

表1 潛污泵的網格無關性檢查Tab.1 Grid independence check of submersible pump

1.3 內流場計算方法

利用FLUENT軟件計算預制泵站內流場，采用計算較為方便的多重坐標系模型，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，故而采用Scalable形式壁面函數。筒體進口設置為質量流量進口。假定在管道出口處湍流已充分發展，將出口設置為自由出流。

圖3示出了該潛污泵的數值計算與試驗外特性曲線。

圖3 潛污泵外特性曲線比較Fig.3 Comparison of external characteristic curves of submersible pump

由圖3可知，數值計算結果與試驗結果趨勢基本一致。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%。其他各工況下揚程的計算結果和試驗結果之間的誤差均小于5%。因此，該潛污泵的數值計算方法是可行的。

1.4 沉積率DE計算方法

采用FLUENT軟件中的DPM模型對顆粒相進行設置。假設顆粒入射流均勻分布于入口界面，方向垂直于入口，從零時刻起釋放顆粒，顆粒跟隨液相清水從入口進入并和液相有相同的起始速度；重力加速度為9.81 m/s2，顆粒密度為1 200 kg/m3，粒徑為6 mm，體積分數為1%。

本文預制泵站的沉積模擬中，忽略壁面對固體顆粒的粘著力，只考慮顆粒由于碰撞與運動導致失速的情況下造成的沉積。因此，將壁面都設置為reflect，將進出口設置為escape。

為了準確判斷顆粒是否處于沉積狀態，將長度標尺設置為10 mm，最大計算步數設置為10 000，即允許顆粒運動最大為100 m的路程，如果顆粒在筒體內運動100 m還不能逃逸出筒體，則可能顆粒處于懸浮或在漩渦中打轉的狀態，也一并歸納入沉積。

提取計算結果，可以得出射入的粒子數Nt和從出口處流出的粒子數Ne，還有剩余的粒子沉積或懸浮在筒體內Ni，通過這些數據可獲得計算沉積率DE。沉積率計算式為：

2 圓筒式預制泵站的結構改進

2.1 圓筒式預制泵站沉積率分析

由于圓筒式預制泵站結構簡單，能夠影響沉積特性的只有潛污泵的安裝位置。泵的安裝位置分為懸空高H1、泵間距S、中心距L，如圖4所示。根據預制泵站技術規程和實際結構影響，計算對比方案設置見表2。

圖4 泵的安裝位置Fig.4 Installation location of the pump

表2 計算方案設置Tab.2 Calculation scheme setup

圖5示出了不同參數下圓筒式預制泵站內沉積率。從圖可以看出：

（1）隨著懸空高的增加，沉積率呈現升高趨勢。懸空高為0.1H0時預制泵站內沉積率最小為58.8%，即此時排污效果最好，在安裝排污泵時應采取適當小的懸空高度。

（2）隨著泵間距的增加，沉積率逐步增大，在泵間距0.8時沉積率最小為67.3%，考慮泵站內部結構及保證泵的安裝空間下，應盡量采取較小的泵間距。

（3）隨著中心距的增加，沉積率基本先減小后增大，沉積率在L=0處達到最低值83.5%，在布置泵時應盡量采取對齊布置。

從圖5中還可以看出，圓筒式預制泵站內的沉積率總體上非常高，基本都在60%以上。因此有必要對預制泵站內部結構改進，以期進一步減小沉積率。

2.2 預制泵站改進設計方案

2.2.1 性能分析

圖6示出了一體化圓筒式預制泵站泵坑內的流動情況。

圖6 圓筒式預制泵站流動示意Fig.6 Flow in cylindrical prefabricated pumping station

從圖6（a）中可以發現圓筒式預制泵站在防沉積方面還存在如下問題：

（1）泵坑邊角處由于流速普遍較低，極易造成小的漩渦流動，使得邊壁處顆粒來回打轉。

（2）靠近出水管的一側，存在大面積的低速區，導致低速區的漩渦中心顆粒沉積較多。

（3）潛污泵的吸力影響范圍并不大，雖然可以通過降低懸空高減小顆粒的沉積率，但潛污泵入口太靠近坑底，并不利于泵的安裝，且此時泵的入口偏流角普遍很大，如此長時間運行，會降低泵的性能進而降低排污效率。

從圖6（b）可以看出圓筒式預制泵站的一般流動機理，可以看出泵站內部主存在3個速度變化區，受潛污泵影響最大的是順流增速區和逆流減速區，而沉積通常出現在回流減速區域。

2.2.2 改進方案

綜合分析圓筒式預制泵站的優缺點，進行如下改進設計：

（1）在潛污泵之間設置橫向隔流堰，以加強單個潛污泵對周圍流場的控制。

（2）在逆流減速區和回流減速區之間設置徑向隔流堰，抵消回流沖擊的消耗。

（3）常規泵坑通常采取以泵為中心，顆粒向上吸入的模式，由于泵對大區域的外流場控制力較弱，只能使泵坑中一小塊區域液相高速流動。通常周圍的顆粒由于達不到吸入速度，吸力無法超越顆粒自身的重力，會造成大量的沉積，鑒于此在泵坑底部設置預旋盆，可以讓大部分處在坑底的顆粒收到流體向下拖拽的力，加上自身的重力，可以加速離開坑底到達預旋盆底，由于預旋盆的空間較小，落入盆底的顆粒可以被快速吸走。

（4）在潛污泵入口下方加入導流段，主要有2個功能，一是便于潛污泵的安裝，二是減小入口偏流角，從而減小對潛污泵本身的不利影響。

（5）在堰體設計導流預旋入口，由于徑向隔流堰的設置，使關閥停機時，運動到徑向隔流堰左側的顆?？梢员晃觥?/p>

隔流式泵坑的安裝示意與三維造型如圖7所示。參考圓筒式預制泵站潛水泵安裝位置優化方案，設計參數見表3。

圖7 隔流式預制泵站泵坑Fig.7 Pump pit in flow separation prefabricated pumping station

表3 隔流式預制泵站參數Tab.3 Parameters of flow separation prefabricated pumping station mm

2.2.3 隔流式預制泵站性能分析

隔流式預制泵站的主要設計核心是隔流堰和預旋盆，隔流堰首先分隔大部分區域與進水口一側，減少底面顆粒堆積區域面積，同時將2個潛污泵之間的區域分割開來，防止潛污泵相互干涉發生“搶水”現象。

為了分析隔流堰和預旋盆在隔流式預制泵站的運行中的作用，取3個分析X平面，分別為y=250，0，-250 mm。圖8為X平面上的速度分布及流線，圖9示出了X平面上的顆粒體積分數分布。對比圖8中3個X平面流體速度分布和流線可以發現，由于徑向隔流堰的結構影響，在其左側會產生面積較大的相對低速區。

圖8 X平面速度分布及流線Fig.8 Velocity distribution and streamline in X plane

圖9 X平面顆粒體積分數Fig.9 Volume fraction of particles in X plane

從圖9（a）和9（c）中可以看出，有少量顆粒運行到徑向隔流堰左側造成了一定的沉積，但大部分從右至左運動的顆粒會沿著泵坑滑落至預旋盆中。特別是圖9（c）中，大量顆粒被徑向隔流堰阻擋，形成一段高顆粒體積分數區，這也體現了隔流堰設計的有效性。

圖10示出了圓筒式和隔流式預制泵站內顆粒運動軌跡。從圖中可以看出，由于徑向隔流堰的設置，基本沒有顆粒能夠從泵間逃逸，在筒體右下方可以發現有顆粒撞擊堰體的軌跡，雖然有少部分顆粒從左上方導流入口處逃逸沉積在徑向隔流堰的左側，但依然能夠證明隔流式預制泵站在防沉積設計方面的價值。

圖10 圓筒式和隔流式預制泵站內顆粒運動軌跡Fig.10 Particle movement track in cylindrical type and flow separation prefabricated pumping stations

3 隔流式預制泵站優化

根據隔流式預制泵站的顆粒運行軌跡和速度分布圖，采用響應面法（RSM）對隔流式泵站結構參數進行優化。選取預旋盆圓坑深度x1、預旋盆圓角直徑x2、導流管入口高x3作為試驗設計變量，響應值為沉積率。

根據各因素及水平值，進行試驗設計，共進行17次試驗，設計結果見表4。

表4 響應面試驗設計方案及結果Tab.4 Response surface test design scheme and results

采用RSM擬合得到的沉積率基于實際因子水平的回歸方程為：

式中 x1x2—— 預旋盆圓坑深度與預旋盆圓角直徑的交互項；

x1x3—— 預旋盆圓坑深度與導流管入口高的交互項；

x2x3—— 圓角直徑與導流管入口高的交互項。

在不改變運行工況的條件下，通過RSM對隔流式預制泵站的不同結構參數進行選優，以DE最小為目標，經計算得出優化后各參數最佳解，優化前后各參數對比見表5。

表5 優化前后各參數對比Tab.5 Comparison of parameters before and after optimization

圖11，12示出了X平面優化前后速度與顆粒體積分數分布。

圖11 X平面速度分布Fig.11 Velocity distribution in X plane

圖12 X平面顆粒體積分數分布Fig.12 Distribution of particle volume fraction in X plane

從中可以明顯看出，經過對預旋盆圓坑深度、圓角直徑和導流管入口高進行優化，大幅提升了徑向隔流堰左側的液相流速，從顆粒體積分數分布來看，優化后基本沒有顆粒會停滯隔流堰左側因此減少造成的沉積。

圖13示出了Y平面速度和體積分數分布，圖14示出了顆粒運動軌跡。從Y平面上可以發現優化后從進水管進入筒體的顆粒，在撞擊到筒壁之后由于結構與流場的隔流式預制泵站在右側預旋盆中會產生較多的沉積。

圖13 Y平面顆粒體積分數分布Fig.13 Distribution of particle volume fraction in Y plane

圖14 顆粒運動軌跡Fig.14 Particle movement track

對比隔流式預制泵站優化前后顆粒運動軌跡可以發現，優化設計可以有效減少從兩側逃逸至徑向隔流堰左側的顆粒，而且可以增加進水管一側流場速度，從而避免顆粒運行至壁面后失去動能從而停滯進行沉積。

4 結論

（1）采用DPM數值分析了圓筒式一體化預制泵站內沉積特性，結果表明：隨著懸空高、泵間距的增大，沉積率逐漸增大；隨著中心距的增大，沉積率先增大后減小；圓筒式內部沉積率較大，易發生沉積。

（2）基于圓筒式預制泵站流動特性分析，將圓筒式結構改為隔流式，增加了橫向、徑向隔流堰以及預選旋盆結構，數值結果表明：改進后的隔流式預制泵站內沉積率較圓筒式預制泵站沉積率下降20%以上。

（3）采用RSM對改進后的隔流式預制泵站的結構參數進行優化，最佳結構參數為預旋盆圓坑深度146 mm、預旋盆圓角直徑140 mm、導流管入口高20 mm，此時預制泵站內沉積率降至25.4%。