儀征市塘田灌區(qū)宣云站進水池吸水管口安裝與淹沒深度CFD應(yīng)用研究

俞龍祥

（揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司 揚州 225000）

1 工程概況

儀征市宣云站位于江蘇省儀征市陳集鎮(zhèn)，是一座梯級提水泵站，系儀征市塘田灌區(qū)的二級站。該泵站設(shè)計流量為 3.5m3/s，安裝 2臺500HW-7臥式混流泵和3臺650HW-7臥式混流泵，其中一臺備用。該站吸水管進水口擬選用平管口、直管口、豎管口3種安裝方式中的一種，其安裝方式參見圖1、圖2、圖3。

圖1 平管口安裝示意圖

圖2 直管口安裝示意圖

圖3 豎管口安裝示意圖

2 研究目的

水泵從進水池中吸水，需合理確定水泵吸水管的管口安裝方式、淹沒深度和懸空高度，使吸水管內(nèi)部有良好的流態(tài)，為水泵提供較好的進水條件，從而充分發(fā)揮水泵本身裝置的能量性能和汽蝕性能，保證水泵裝置安全、高效和經(jīng)濟地運行。如何保證水泵的進水條件，提高泵站的運行效能，水泵吸水管的內(nèi)部流態(tài)是應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素，這也是對進水池及吸水管進行CFD研究的目的所在。

3 進水池及吸水管CFD計算數(shù)學模型

3.1 進水池及吸水管三維立體造型和網(wǎng)格剖分

采用商業(yè)軟件 FLUET中的前處理器 Gambit和大型工業(yè)三維造型軟件Pr o/E，建立進水池及吸水管三維立體造型和網(wǎng)格剖分，并采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分計算域。

3.2 邊界條件的確定

進口邊界取在距離吸水管道進口足夠遠的進水池中；出口邊界取在靠近水泵進口的吸水管水平段上，假定計算域出口截面上流動方向的坐標是局部單向的，下游流動不再對上游產(chǎn)生任何影響；進水池邊壁、吸水管管壁均按固壁處理，滿足無滑移條件，采用標準壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)的紊流流動；由于進水池內(nèi)的流速不大,采用靜水壓力假定,自由表面簡化為對稱平面處理。

針對宣云站的實際情況，為便于計算，確定其計算簡圖如圖4。

圖4 宣云站進水池與吸水管布置簡化計算圖

3.3 建立和求解控制方程組

由于進水池及吸水管中的水流速度很低，水的黏度和密度變化不大，可近似為不可壓縮，采用時均、不可壓、黏性、恒定流動的Navier-St okes方程，描述進水池及吸水管中的內(nèi)部流動三維流場。

3.3.1 連續(xù)性方程

假定進水池及吸水管中恒定、不可壓流動，建立連續(xù)性方程：

式中，u，v，w為速度矢量 U在 x，y，z3個坐標上的投影。

3.3.2 動量方程

在水泵裝置進、出水建筑物和水泵內(nèi)部流動的水流屬于紊流，采用如下方法確定動量方程。

（1）將非穩(wěn)態(tài)的控制方程對時間作平均處理；

（2）引進Boussinesq渦黏性假設(shè)，即用一個假想的黏性系數(shù)和平均的速度梯度來計算雷諾應(yīng)力，從而將雷諾應(yīng)力的封閉問題轉(zhuǎn)化為渦黏性的求解。

對于恒定、不可壓流動，動量方程可寫成下列形式：

采用時均不可壓全三維 N-S方程描述進水池及吸水管內(nèi)部的三維流動，其質(zhì)量守衡方程和動量方程可寫成下列形式：

3.3.3 確定紊流模型

采用 κε- 紊流模型封閉動量方程組，進行數(shù)值計算。如下式：

其中， p r為紊動能生成率，

3.3.4 控制方程的離散與求解

采用控制體積法對控制方程進行離散，壓力項采用標準格式進行離散，動量、紊動能及紊動能耗散率均采用二階迎風格式進行離散。采用速度和壓力修正協(xié)調(diào)一致的 SIMPLEC 算法，分離式求解控制方程離散后各變量的代數(shù)方程組。

4 各管口安裝方式下的流動參數(shù)分析

針對懸空高h1分別為0.6m和0.8m的工況，運用CFD理論中的有關(guān)公式進行計算，得出平管口、直管口、豎管口的縱剖面流速圖和吸水管在比較斷面上的軸向流速等有關(guān)數(shù)據(jù)，對其進行整理后，形成了表1、表2。

表1 平管口、直管口和豎管口安裝方式下流動參數(shù)（h1=0.6m）

表2 平管口、直管口和豎管口安裝方式下流動參數(shù)（h1=0.8m）

4.1 懸空高h1=0.6m時的流動參數(shù)比較分析

表1表明，平管口與直管口安裝方式在0.6m懸空高情況下，直管口安裝方式具有較好的內(nèi)部流態(tài)，橫向流速較小，有較好的吸水能力和較小的水力損失。

直管口與豎管口安裝方式相比，在豎管口安裝方式下，比較斷面上的軸向流速分布均勻度略好，吸水能力稍小，但單位質(zhì)量時的水力損失較小。

而相對平管口而言，豎管口安裝方式具有較好的內(nèi)部流態(tài)，橫向流速較小，有較好的吸水能力和較小的單位水力損失。但需要注意的是，在進水池水深一定的情況下，吸水管口懸空高與淹沒深互相牽制，即懸空高增加，淹沒深減小，反之亦然。豎管口上緣的淹沒深度為0.91m，比平管口減小了0.49m，因此，還應(yīng)考慮可能引起的水面渦對吸水性能的影響。

4.2 懸空高h1=0.8m時的流動參數(shù)比較分析

表2中的數(shù)據(jù)顯示，懸空高度h1從0.6m提高至 0.8m時，平管口與直管口的比較斷面的軸向流速分布均勻度均有所下降，偏流角有所增大，平管口的流速分布均勻度下降稍大，但直管口安裝方式下吸水管內(nèi)具有較好的內(nèi)部流態(tài)，吸水能力超過平管口安裝方式下的3.16%。

懸空高度h1從0.6m增加至0.8m后，平管口比較斷面的軸向流速分布均勻度稍微增加，水力損失有所減小，變化幅度均有限；豎管口軸向流速分布均勻度略微減少，水力損失有所增加，已反超相同懸空高平管口的水力損失。從水力損失角度看，增加懸空高對管口安裝方式不利，而豎管口上緣的淹沒水深約為1.0倍吸水管直徑，接近正常設(shè)計情況下的臨界值，因此，沒有必要再繼續(xù)增加懸空高，做進一步吸水性能差異研究。

5 結(jié)論

通過對平管口、直管口和豎管口等三種吸水管口安裝方式下的進水池與吸水管的流態(tài)、速度分布、水力損失等技術(shù)指標進行比較，可得出如下結(jié)論：

（1）在相同的進水條件下，直管口管口進水流態(tài)最好，幾乎沒有脫流，平管口和豎管口進水流態(tài)較差，進口有脫流和明顯的低速區(qū)；

（2）在相同的進水條件和不同的淹沒深度或懸空高情況下，豎管口有較強的吸水能力，直管口的吸水能力次之，平管口的吸水能力最弱。就單位質(zhì)量水力損失而言，直管口和豎管口安裝方式有一定的優(yōu)勢。

（3）在相同的進水條件下，平管口、直管口和豎管口三種安裝方式，比較斷面的軸向流速分布均勻度都比較高，橫向流速較小。

綜合進水池和吸水管的進水條件、內(nèi)部流態(tài)、比較斷面的流速分布、吸水管路的水力損失等因素，確定儀征市塘田灌區(qū)宣云站吸水管口安裝方式采用直管口安裝方式，懸空高取值0.8m，這樣既能保證水泵吸水管有較好的進水流態(tài)和吸水能力、較均勻的速度分布，又能以較小的吸水管路水力損失，為水泵提供良好的進水條件，發(fā)揮正常的能量特性和汽蝕特性，從而有效提高宣云站的經(jīng)濟效益和工程效益。

6 建議

目前CFD數(shù)值分析在工程領(lǐng)域方面的應(yīng)用已經(jīng)開展，但在水利工程或灌區(qū)改造項目中實際應(yīng)用還較少。因此，本文對泵站進水管口選擇的研究，是在這方面進行的有益嘗試，但是，相關(guān)的應(yīng)用研究還有很大的拓展空間，值得作進一步地應(yīng)用研究。

1 儀征市水務(wù)局.儀征市塘田灌區(qū)改造工程可行性研究報告.

2 揚州大學、儀征市水務(wù)局.宣云站吸水管口安裝方式研究報告.

3 劉超.水泵及水泵站[M].北京：科學技術(shù)文獻出版社，2003：144-150.

4 成立,劉超,薛堅. 泵站進出水流道優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)研究[J].水泵技術(shù),2007(3)：39-42.