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      雙向開敞式立式軸流泵裝置數(shù)值模擬

      2014-12-12 03:14:40張大恩吳志旺關(guān)醒凡
      江蘇水利 2014年12期
      關(guān)鍵詞:軸流泵導葉流線

      王 麗 張大恩 吳志旺 關(guān)醒凡

      (1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 淮安 223000;2.上海凡方流體機械有限公司,上海 200061;3.上海東方泵業(yè)(集團)有限公司,上海 200061)

      1 概述

      張家港市三干河樞紐工程由節(jié)制閘和泵站兩部分組成。泵站安裝3套2200ZLB13.4-2 開敞式立式軸流泵,配TL800/40 同步電機。泵裝置和泵站結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

      泵站的下廊道為進水流道,上廊道為出水流道,流道兩端分別設置2道閘門。泵雖是單向運轉(zhuǎn),但通過開閉4 道閘門可以改變進出水方向,進而實現(xiàn)水流雙向供水(排澇、灌溉)的運行目的。

      張家港市三干河南延工程三干河樞紐工程泵站參數(shù)如表1 所示。

      根據(jù)與本泵站相似的海洋涇泵站裝置試驗結(jié)果進行選型,選型結(jié)果如圖2 所示。

      從結(jié)果可知,葉輪外徑2200 mm,轉(zhuǎn)速150 r/min,泵在0°運行,可以滿足設計要求,此時模型裝置效率為68%~70%。

      2 模型的建立及邊界條件

      2.1 計算模型和網(wǎng)格劃分

      本次模擬以開敞式立式軸流泵的進水流道、葉輪、導葉及出水流道作為研究對象,主要的性能參數(shù)如表2 所示。

      網(wǎng)格的劃分對計算結(jié)果極為重要,網(wǎng)格的質(zhì)量和疏密程度也會影響計算結(jié)果的準確性和可靠性??紤]整個裝置的復雜性和計算機內(nèi)存的要求,本次采用Tetra/Mixed 網(wǎng)格,即采用對復雜邊界適應性較好的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)為3607792。計算域及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

      2.2 控制方程及湍流模型

      采用工程廣泛應用的雷諾平均模型可描述泵裝置內(nèi)部流體的流動,筆者采用RNGκ-ε 模型以便更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。

      RNGκ-ε 模型方程為:

      圖1 三干河開敞式立式軸流泵結(jié)構(gòu)圖

      表1 三干河南延工程三干河樞紐工程泵站特征揚程組合

      圖2 泵裝置綜合特性曲線(海洋涇模型)

      表2 各計算工況點參數(shù)

      圖3 計算域及網(wǎng)格

      其中:

      2.3 邊界條件

      以進水流道進口為泵裝置進口邊界,以質(zhì)量流量為進口邊界條件;以出水流道出口為泵裝置出口邊界,出口設置為自由出流;整個裝置的固體壁面采用無滑移條件,湍流壁面采用壁面函數(shù)法處理。

      3 數(shù)值分析和結(jié)果對比

      為研究引水和排澇工況泵裝置和泵流場狀態(tài),筆者選取工況2 和工況3 的流場特征進行分析,如圖4~圖10 所示。

      圖4 為泵裝置流線分布情況。從圖中可以看出,整個裝置在出水流道和進水流道封閉側(cè)產(chǎn)生較大的漩渦,流動十分紊亂。流體在進水流道后受葉輪的作用,大部分液體直接通過葉輪、導葉進入出水流道;一部分流體要到達進水流道封閉側(cè),再經(jīng)過葉輪和導葉到達出水流道,這部分流體會在進水流道和出水流道封閉側(cè)產(chǎn)生較大漩渦。

      圖4 泵裝置流線分布

      圖5 葉輪工作面壓力云圖

      圖6 葉輪背面壓力云圖

      圖7 葉輪區(qū)域速度矢量

      圖8 葉輪區(qū)域流線分布

      圖9 導葉區(qū)域速度矢量

      圖10 導葉尾部速度矢量

      圖5~圖8 為葉輪區(qū)域的流動情況。由4 幅圖片可以看出,葉片工作面壓力高于葉片背面,葉輪區(qū)域流線整體較順暢;葉片進口邊外緣受到輕微沖擊;葉片進口邊外緣工作面和背面壓差較大,導致葉片進口邊外緣易發(fā)生汽蝕。

      圖9~圖10 為導葉區(qū)域的流動情況。導葉片靠外緣部分流線順暢;葉片出水邊靠近輪轂處有不同程度的回流現(xiàn)象,液體運動速度方向發(fā)生了較大變化;導葉根部流動相對外緣較紊亂。

      為說明CFD 模擬結(jié)果準確性和可靠性,將4 個工況的計算結(jié)果與選型結(jié)果進行比較,如圖11~圖12 所示。數(shù)值模擬結(jié)果和根據(jù)泵段和泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)選型結(jié)果相差不大,表明泵在運行中能滿足設計要求。

      5 結(jié)論

      圖11 H-Q 曲線

      圖12 η-Q 曲線

      (1)筆者對泵站的整個裝置進行了模擬,包括葉輪和導葉,相比不添加葉輪、導葉或假設葉輪和導葉的模擬更具真實性。

      (2)由泵裝置流線分布圖可知,進、出水流道封閉側(cè)的流動較為紊亂,這也是雙向流道效率不高的重要原因。

      (3)從模擬結(jié)果和泵段及泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)來看,兩者相差較小,表明本泵滿足運行要求。

      [1]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

      [1]關(guān)醒凡.軸流泵和斜流泵水力模型設計試驗及工程應用[M].北京:宇航出版社,2009.

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