二級泵房吸水井不同高度液位的CFD數值模擬

王勝己

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

某水廠一期工程的二級泵房吸水井在建設時，因施工問題，吸水井及泵房被抬高1.5 m，存蓄水量無法用足，導致清水池最低運行液位需比原設計值高1.5 m。目前，清水池運行過程中，液位處于-6 m時，二級泵房可正常運行，直接觀察吸水井狀況，井內水面無任何夾氣現象，水泵無振動，多年運行未發現水泵氣蝕。但水廠實際未曾將運行液位進一步降低，以判斷水泵可運行的最低液位。如能判定最低運行液位，則意味著清水池液位可進一步降低，具有更多的調蓄容積，有利于整個水廠的運行安全、穩定、高效。

現階段的研究集中在對吸水井尺寸的優化設計[1]和運行過程中產生問題的思考總結。顧軍明[2]通過實際運行中發現的問題，對吸水井的布置經驗提出自己的總結；張華生[3]通過分析泵站水泵運行效率較低的原因，提出了提高吸水井液位等以減少水泵揚程的浪費；王家民[4]總結了給水廠二泵吸水井工藝設計要點。還有很多學者運用CFD數值模擬方法對流態進行研究[5-7]。但是，運用CFD數值模擬方法探究不同液位對二級泵房吸水井出水效果影響，以及利用壓力場、湍流黏度場進行對比分析的相關研究較少。因此，本文運用數值模擬方法，選取3種不同高度液位，對二級泵房吸水井的流場、壓力場、湍流黏度場及速度矢量場進行模擬分析，其結果對今后的設計工作具有較強的參考價值，有利于降低工程試錯成本，為進一步降低最低運行液位提供技術支撐。

1 模型建立

1.1 構造模型

模型按照吸水井實型并進行合理簡化后，采用Ansys16.0軟件建立。模型長為20.3 m，寬為6 m，高為H，如圖1所示。

圖1 吸水井模型建立Fig.1 Modeling of Suction Well

在液位處于-6 m時，二級泵房正常運行，即此時H=3.6 m，定為工況一。為判定可運行的最低液位，需對模型進行修改，即建立另外2種新的模型，分別為工況二(H=3.3 m)和工況三(H=3.0 m)。吸水井進口尺寸為1.6 m×1.6 m，吸水井出口即喇叭口為一同心異徑管，尺寸為DN1200×DN1800。

1.2 網格劃分

采用Ansys軟件中Mesh對模型進行網格劃分。對整個個體(吸水井模型)采用混合網格，即采用四面體和正六面體混合。網格數量劃分太多會造成計算時間大幅增加，嚴重消耗計算機內存。網格數量較少，又會造成結果不準確，不能很好地表達整個空間的流場情況。因此，經過網格獨立化檢驗后，對整個體網尺寸控制為0.2 m，對局部進行網格加密，尺寸控制在0.1 m，最終網格劃分結果如圖2所示，共64萬個網格。采用標準k-ε模型，并運用Fluent對其進行穩態數值模擬。未采用非穩態模型是因為研究對象是在一個較穩定的狀態進行循環，與吸水井液位高低關系密切，而與同一液位時，二級泵房的運行時間長短無關，故采用穩態進行模擬較符合實際。

圖2 吸水井模型網格劃分Fig.2 Meshing of Suction Well Model

1.3 邊界條件

該水廠二級泵房土建按照28萬m3/d規模建成，吸水井2個喇叭口分別連接2臺現狀離心變頻泵，流量均為1.62 m3/s，而吸水井僅有一個方形進口，尺寸為1.6 m×1.6 m，換算得出進口流速為1.266 m/s。

模型唯一水流進口采用速度入口，2個出口采用壓力出口，不固定出口的某一速度值是由于采用穩態模型，整個模型最終會達到壓力平衡，質量守恒且進出口流量守恒，這樣更符合實際工況。其他表面均設為wall，但需要說明的是，模型的上表面實際上是水面與空氣表面的交界面，在此處假設為wall與實際情況略有區別。在實際情況中，當流動達到穩定，特別是二級泵房正常運轉時，水面的波動很小，水面與空氣的質換也很小，此時假設交界面為wall不會對模擬結果造成太大影響；當水面波動較大時，會產生夾氣現象，這也是二級泵房設計和運行中最為擔心的問題，一旦出現夾氣，會導致嚴重的氣蝕，影響水泵壽命。而深究其原因為受力不均，雖然將上表面設定為平面，在穩態單相模擬中無法體現質的交換，但其仍可反映交界面或任意面的受力情況。因此，將模型的氣液交界面定義為wall平面，既能真實地體現實際流動情況，又減少了計算所需內存，加快了計算時間。

2 參數分析

對于流場的判定，速度云圖最為直觀，該參數可較清晰地看出整個空間流場的速度分布情況，此時的速度只有大小沒有方向，數值為該點的速度矢量在該平面的投影數值。速度矢量圖可表示任一點的速度大小和方向，但是受制于圖片的二維表達，不容易直觀看出整體的流動情況。通過兩者云圖的觀察，可判定不同模型不同工況下流場的相似性。

流體流動的驅動力為密度差和壓力差，同一種物質在相同溫度下的流動問題，驅動力只有壓力差，即為該研究對象流動的情況。速度場的分布與壓力場密切相關，可通過壓力場的分布研究流體的流動情況。在湍流時，流體內部充滿了有大有小的旋渦，流體質點不規則遷移、脈動和碰撞，使流體質點動量交換非常劇烈，這就是湍流應力，其與湍流黏度正相關，計算如式(1)。湍流黏度是指當流體流動處于湍流狀態時，隨機脈動造成的強烈渦團擴散和級聯散列。

(1)

其中：τ——湍流應力，Pa；

μ——動力黏度，物性參數，Pa·s；

e——湍流黏度，Pa·s；

u——速度，m/s；

y——距離，m。

因此，湍流黏度越大，湍流切應力越大，流體就會表現出更多更大的渦旋，繼而產生層與層之間劇烈的動量交換。在此模型中，如果上層平面湍流黏度大，雖然交界面定義為固體平面，但仍舊會產生流動旋渦，大概率產生夾氣現象。

綜上，對此問題研究應采用速度場、壓力場和湍流黏度場的對比分析，可得判定最低運行液位的依據。

3 數值模擬結果分析

3種不同工況進行數值模擬，結果如圖3～圖4所示。圖3為不同液位高度時不同平面的速度云圖，圖4為不同工況下的壓力云圖。3種工況區別在于不同的H，即不同的最低運行液位；h為某一種工況下，取不同液位橫截面的高度值，如H=3.0 m、h=2.0 m，是在運行液位為3.0 m的工況下，液位高度為2.0 m處橫截面的參數情況。在h=2.0、1.5 m時，3種不同工況下速度場和壓力場相似；在h=2.5 m時，工況一和工況二速度場和壓力場相似，但有別于工況三。這是因為工況一運行液面較高，最低液位處于3.6 m，與h=2.5 m的液面距離氣液分界面高度差大，因此，對速度場的影響較小。但工況三在h=2.5 m時距離液面只有0.5 m，由于受到較大的壓力波動，此液面變化較大，影響了整個空間流體流動，這也與最低運行液位越低，越可能產生夾氣的實際現象吻合。當所取液面較低(h=2.0 m)時，與氣液分界面越遠，影響越小。所以，研究重點可放在靠近氣液分界面的位置，當不同工況不同參數所示云圖，距離氣液分界面越近的面，相似性越高，則2種工況流態相似性越高。

圖3 不同工況不同平面速度云圖Fig.3 Cloud Diagrams of Different Plane Speed under Different Working Conditions

圖4 不同工況不同平面壓力云圖Fig.4 Cloud Diagrams of Different Plane Pressure under Different Working Conditions

此處采用湍流黏度場進行對比分析，如圖5所示。工況一在h=2.5 m的條件下，平面湍流應力在出口處即水泵入口處較大，越遠離出口，湍流應力越小，且梯度分布明顯。這說明此時流動有序，在出口處易產生夾氣現象。隨著H的降低，湍流黏度場越無序，且在兩出口中間位置梯度變化越大，將產生較強烈的波動，極可能產生質的交換。

圖5 不同工況下同一液位高度的湍流黏度場Fig.5 Turbulent Viscosity Field at Same Liquid Level under Different Working Conditions

因此，若將清水池最低運行液位由3.6 m降低至3.3 m基本可行，但若需降至3.0 m有一定風險。

4 優化設計

為了進一步降低清水池最低運行液位，結合以往設計經驗，考慮采用增加隔板或加設彎頭的做法，建模工況四如圖6所示。工況四在工況三的基礎上，吸水井出口處增設45°彎頭，使吸水面降低，平面越低流動越穩定，由此，可使最低運行液位降低。圖7為工況五模型，是在工況三的基礎上，出口頂部設置長隔板，隔板寬度為2 m，相當于將氣液界面分隔開，使氣體難以進入出口而形成夾氣，同時，減少隔板下部水流的豎向作用，使流動更有序。

圖6 吸水井工況四模型Fig.6 Model of Suction Well under Working Condition 4

圖7 吸水井工況五模型Fig.7 Model of Suction Well under Working Condition 5

由圖8可知，增加彎頭后進口高度發生變化，在h=2.5 m時，工況五較工況四流動更均勻，工況四出口位置發生變化，雖然在此高度湍流應力較大，但模擬過程中發現，在較低的進口處，流態良好。工況五的湍流應力表現為水流與隔板的作用力，并未與氣體接觸，且從流場觀察，流態良好。

為進一步分析5種工況的流態情況，對比5種不同工況下的速度矢量圖，如圖9所示。工況一和二流動較均勻且相似。工況三在出口處速度在大小和方向上變化明顯，速度梯度分布較大，易形成湍流漩渦極可能產生夾氣。工況五受到隔板阻隔作用，相比于工況三，流動更均勻，梯度較小，出口區域流動穩定，同時隔板還可以有效減小水面與空氣接觸面積，降低夾氣風險，此種方式需要注意隔板受力及需采用合理的固定方式。工況四與工況三相似，由于進口采用彎頭，進口液位相對降低，同樣降低了夾氣的可能，但需要注意出口高度不可過低，過低可能產生較大的水流渦旋，同樣不利于水泵均勻進水，水泵效率降低，嚴重時使池底沖刷，同樣引發氣蝕，影響運行安全。由圖8～圖9可知，工況一、二流態相似，工況三流態相對較差，但在工況三基礎上增設隔板或彎頭，可降低水面與空氣面接觸面積，從而降低夾氣可能性，增設擋板還可一定程度上優化流態，使流動更均勻。

圖8 不同工況下同一液位高度云圖Fig.8 Cloud Diagram of Different Parameters at Same Liquid Level under Different Working Conditions

圖9 不同工況下同一液位高度速度矢量圖Fig.9 Speed Vector Diagram at Same Liquid Level under Different Working Conditions

5 結語

本文采用CFD數值模擬方法，研究二級泵房吸水井不同液位對吸水效果的影響。通過對上述5種不同工況的模擬，對模擬結果對比分析可知，在清水池液位處于-6 m正常運行(H=3.6 m)的前提下，當不采用其他措施時，此清水池最低運行液位可考慮降低0.3 m至-6.3 m，當采用增加隔板和設置45°彎頭的措施時，可考慮將清水池最低運行液位降低0.6 m至-6.6 m。在增加其他措施時是否可進一步降低，還需進一步論證。

運行液位過低，不利于二級泵房水泵的運行，當液位降至一定程度時，將大概率產生夾氣現象，此時采用增加隔板和增設彎頭的方式，可增加運行的安全性，大大降低夾氣發生的概率。

對于此種問題采用穩態模型進行數值模擬，并加入速度場、壓力場、湍流黏度進行分析，可以較準確地反映整個流場的情況且可較清楚地闡釋運行液位變化時流態變化的原理。該種分析方法對今后的設計工作具有較強的參考價值。