胥浦活水泵站肘形進(jìn)水流道流態(tài)分析及優(yōu)化

胥浦活水泵站肘形進(jìn)水流道流態(tài)分析及優(yōu)化

丁軍1，丁慶朋2

(1. 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州225127； 2. 儀征市水務(wù)局，江蘇儀征211400)

摘要：胥浦活水泵站為一座長(zhǎng)江邊低揚(yáng)程引水泵站，設(shè)計(jì)流量5.0 m`3/s，最大揚(yáng)程3.3 m。為適應(yīng)其低揚(yáng)程、小流量的特點(diǎn)，選用了全貫流潛水泵，在原胥浦節(jié)制閘底板上改建安裝。為了保證在長(zhǎng)江低水位時(shí)，水泵進(jìn)水口完全淹沒(méi)，進(jìn)水流道型線平順，流道內(nèi)無(wú)渦帶或其他不良流態(tài)，機(jī)組啟動(dòng)正常和運(yùn)行穩(wěn)定，利用三維數(shù)值建模、邊界條件設(shè)置與三維湍流流動(dòng)模擬，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法，進(jìn)行進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬，多方案分析和比較進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)、水泵進(jìn)水條件和流道的水力損失。計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)口尺寸1.1 m×3.4 m(高×寬)，出口直徑1.2 m的型線B方案進(jìn)水條件好，流道水頭損失小，滿足水泵高效運(yùn)行的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為泵站安全運(yùn)行提供最優(yōu)的設(shè)計(jì)進(jìn)水流道型線和設(shè)計(jì)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：胥浦泵站； 三維數(shù)值模擬； CFD分析； 流態(tài)； 肘形進(jìn)水流道型線； 設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TV136`+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2015)03-0088-07

Abstract：Xupu running water pumping station is a low head pumping station near the Yangtzi River， with a design discharge of 5 m`3/s and a maximum head of 3.3 m. Considering its characteristics of its low head and small discharge， the submersible tubular pump is selected in the practice. The pump is reconstructed and installed on the original Xupu regulating sluice soleplate. Its inlet conduit bottom board and the original sluice plate have the same elevation and the hydrological data are unchanged. It should be ensured that when the Yangtze River is at low water level, the water inlet conduit of the water pump is submerged fully and the inlet conduit line is plain sailing. No vortex or other undesirable flow patterns should occur in the flow conduit， and the unit should start normally and operate steadily. In this paper, by adopting three-dimensional numerical simulation， domain parameter setting and three-dimensional turbulent flow simulation,and using the computational fluid dynamics method CFD, numerical simulation of internal flow inlet channel is made and comparison of inlet conduit internal flow and pump flow conditions is carried out, and the hydraulic loss of the inlet conduit in various schemes is analyzed. The analysis results show that the line-type B (having inlet size of 1.1 m×3.4 m and outlet diameter of 1.2 m) is in good inflowing condition, having a small head loss, and meeting the requirements of high pumping efficiency. The results can be used as a reference for the optimal design of inlet type line and for the safe operation of the pumping station.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.014

收稿日期：2014-10-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51321065)；水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：呂楊(1990—), 女， 天津人, 碩士研究生, 主要從事水工結(jié)構(gòu)分析研究。E-mail: chloelv_tju@163.com

進(jìn)水流道為泵站重要的組成部分之一，其水力特性對(duì)水泵性能有著直接影響。良好的進(jìn)水條件可以使水泵裝置達(dá)到好的運(yùn)行狀態(tài)，獲得較高的效率[1]。泵站的進(jìn)水流道形式應(yīng)結(jié)合泵型、泵房布置、泵站揚(yáng)程、進(jìn)出水池水位變幅和斷流方式等因數(shù)，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定[2]。重要的大型泵站還須經(jīng)過(guò)數(shù)模和裝置模型試驗(yàn)確定[3-4]。進(jìn)水流道主要型式有肘形和鐘形兩種。 肘形流道逐漸收縮，流態(tài)好，水頭損失?。荤娦芜M(jìn)水流道形狀復(fù)雜、施工不便，對(duì)寬度要求嚴(yán)，設(shè)計(jì)不當(dāng)易產(chǎn)生渦帶。

胥浦活水泵站在原節(jié)制閘底板上改建安裝，泵站設(shè)計(jì)流量小(Q=5 m3/s)，揚(yáng)程低(最大揚(yáng)程3.3 m)，采用了較優(yōu)的肘形進(jìn)水流道[5]。該泵站為長(zhǎng)江邊潮汐泵站，水位變幅大，在枯水季，長(zhǎng)江水位較低，水泵進(jìn)水口淹沒(méi)不夠充分，易造成水泵吸水困難，影響機(jī)組正常啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。因此需對(duì)肘形進(jìn)水流道進(jìn)行必要的水力設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高泵站運(yùn)行的安全性和可靠性。

1泵型選擇

胥浦泵站為低揚(yáng)程、小流量泵站，立式泵在極低的設(shè)計(jì)揚(yáng)程下水力損失大，效率低，電機(jī)功率大、運(yùn)行費(fèi)用高。貫流泵適用于低揚(yáng)程，流道順暢，水力損失小，裝置效率高、安裝方便，但電機(jī)在水下工作，密封止水要求高[6]。全貫流潛水電泵為機(jī)電一體化技術(shù)，既保持了潛水電泵結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、噪聲低、散熱好等特點(diǎn)，又保持了貫流泵水力性能好、流道順暢、裝置效率高等特點(diǎn)，同時(shí)考慮到了泵站的其他缺點(diǎn)和復(fù)雜程度。其水泵葉輪安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，轉(zhuǎn)子變成水泵的葉輪，使電機(jī)無(wú)效部分變成工作部分，工作時(shí)水流從轉(zhuǎn)子內(nèi)腔流出。綜合以上因數(shù)，選用了全貫流潛水電泵[7-8]。按照設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，確定采用一臺(tái)1400QGWZ-125型潛水電泵，泵體總長(zhǎng)2.0 m， 轉(zhuǎn)速n=365 r/min，葉輪直徑1 200 mm，外形結(jié)構(gòu)尺寸及工作性能曲線分別如圖1與2所示。該泵的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　外形結(jié)構(gòu)尺寸(單位： mm) Fig.1 External structure dimensions (unit： mm)

圖2　水泵性能曲線 Fig.2 Pump characteristic curves

流量/(L·s-1)泵揚(yáng)程/m葉片角度/(°)額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)軸功率/kW泵效率/%配套電機(jī)葉輪直徑/mm43884.38227.782.85YQSN1730-1649972.94-2365172.383.70(250kW,380V)Φ120052632.27143.381.69

2進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)

進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)要求：控制尺寸合理，流道型線平順，流道內(nèi)無(wú)渦帶或其他不良流態(tài)；各斷面面積沿程變化盡可能均勻，出口斷面處的流速和壓力比較均勻，為水泵提供良好的進(jìn)水條件；流道的水力損失盡可能??；滿足水工和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的要求[9]。

(1) 軸向流速分布均勻度Vu[10]

(1)

(2)

(3)進(jìn)水流道的水頭損失進(jìn)水流道的水力損失直接關(guān)系到水泵裝置效率和泵站工程的經(jīng)濟(jì)效益，是評(píng)價(jià)進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在給定的進(jìn)水流道主要控制尺寸前提下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和型線調(diào)整，盡量減少水頭損失，提高水泵裝置效率。

3進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算

3.1控制方程組

若進(jìn)水流道單獨(dú)進(jìn)行水力計(jì)算，可忽略進(jìn)水流道與水泵過(guò)流部件之間的相互影響。對(duì)進(jìn)水流道中的水流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析、概括、抽象和簡(jiǎn)化，并依據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量定律和能量守恒等基本原理，建立起水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。由于低揚(yáng)程水泵裝置中的水流速度很低，水的黏度和密度變化不大，可采用時(shí)均、不可壓、黏性、恒定流動(dòng)的Navier-Stokes方程，描述進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)三維流場(chǎng)。采用工程應(yīng)用最廣泛的κ-ε湍流模型，封閉Navier-Stokes動(dòng)量方程組, 參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

3.2計(jì)算區(qū)域及邊界條件

3.2.1進(jìn)水流場(chǎng)在進(jìn)水流道三維湍流數(shù)值計(jì)算中，計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口設(shè)置在距離進(jìn)水流道進(jìn)口足夠遠(yuǎn)的進(jìn)水池中，按速度條件給出；出口設(shè)置在離進(jìn)水流道出口足夠遠(yuǎn)的地方，按出流條件給定，并假定計(jì)算域出口截面上流動(dòng)方向的坐標(biāo)是局部單向的，流動(dòng)已充分發(fā)展。

進(jìn)水池及進(jìn)水流道等過(guò)流部件的邊壁均按固壁處理，滿足不滑移條件。而對(duì)于緊靠固壁處節(jié)點(diǎn)的湍流特性，則應(yīng)用了對(duì)數(shù)式固壁函數(shù)處理，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

圖3　進(jìn)水流道流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò) Fig.3 Meshes of flow field calculation area in an inlet conduit

進(jìn)水池表面為自由表面。本研究忽略自由水面風(fēng)所引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，自由水面的速度和湍動(dòng)能均可按對(duì)稱平面處理，紊動(dòng)能耗散率則按計(jì)算單元的中心至自由表面的距離及該單元的紊動(dòng)能量來(lái)確定。

3.2.2進(jìn)水流道三維實(shí)體造型和網(wǎng)格剖分根據(jù)上述邊界條件，采用商業(yè)軟件Fluent中的前處理器Gambit，實(shí)現(xiàn)計(jì)算域三維實(shí)體造型和網(wǎng)格剖分，采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的計(jì)算網(wǎng)格，結(jié)果見(jiàn)圖3。

4進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1水力設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

根據(jù)胥浦活水泵站水泵選型與站址實(shí)際情況，提出了多套比選方案，本文選用了典型的4套進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并增加了長(zhǎng)江低水位情況下引水的方案3和4。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法，進(jìn)行進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬，分析和比較進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)、水泵進(jìn)水條件和流道的水力損失[12]。進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)比選，擬采用方案1和2典型設(shè)計(jì)型線圖、三維透視圖(圖4)。

表2　進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4　方案1和2進(jìn)水流道單線圖和透視圖 Fig.4 Single-line drawing and perspective drawing of inlet conduit schemes 1 and 2

4.2內(nèi)部流態(tài)分析

根據(jù)1400QGWZ-125型潛水泵性能曲線和泵站上下游水位組合，初估泵站引水流量范圍。應(yīng)用CFD計(jì)算流體力學(xué)軟件，研究在長(zhǎng)江常水位3.5 m和低水位2.5 m情況下進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)特征，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用后處理軟件，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到進(jìn)水流道內(nèi)部流場(chǎng)圖[13]。方案1和2內(nèi)部流態(tài)相差不大，方案3和4內(nèi)部流態(tài)相差也不大，所以只對(duì)方案2和4進(jìn)行比較(見(jiàn)圖5和6)。

圖5　方案2和4進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案內(nèi)部流場(chǎng)比較 Fig.5 Comparisons between inlet conduit internal flow fields of schemes 2 and 4

圖6　方案2和4水泵進(jìn)口斷面速度分布(單位：m/s) Fig.6 Velocity distribution of pump inlet cross-section for schemes 2 and 4 (unit：m/s)

從圖5可見(jiàn)，方案2內(nèi)流線與型線較貼近，內(nèi)部流態(tài)也較優(yōu)。從圖6可見(jiàn)，進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案不同，在水泵進(jìn)口斷面上的速度分布不同，對(duì)水泵的進(jìn)水條件影響也不同?？偟膩?lái)看，水泵進(jìn)口斷面流速分布左右對(duì)稱，上部流速低，下部流速稍高，符合該進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，這主要是由于流道上下不對(duì)稱、喉部水流受到壓縮造成的。

4.3水泵進(jìn)水條件比較

根據(jù)在相同流量情況下，不同進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，從水泵進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻率和偏流角2個(gè)方面，比較不同進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案提供的水泵進(jìn)水條件，借此評(píng)判進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣[14]。

表3　水泵進(jìn)水條件比較( Q=5.2 m 3/s)

從表3可見(jiàn)，在相同流量情況下，前兩種進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案的入泵水流軸向流速分布均勻度都達(dá)到了97.80%以上，最大偏流角沒(méi)有超過(guò)2°，平均偏流角未超過(guò)1.50°，不同設(shè)計(jì)方案之間的差異很小，表明所有的進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)方案都比較優(yōu)秀，都能為水泵提供良好的進(jìn)水條件；后兩種進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案，為了在水位很低時(shí)提高吸水能力，將進(jìn)口壓得很低，立面型線彎曲得很嚴(yán)重，影響到內(nèi)部水流流態(tài)，對(duì)應(yīng)的水泵進(jìn)水軸向流速分布均勻度降至77.2%，偏流角最大值均超過(guò)4.2°，加權(quán)平均偏流角超過(guò)2.2°。分析表明前兩種進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)方案比較優(yōu)秀，能為水泵提供良好的進(jìn)水條件。

4.4水力損失比較

根據(jù)相同流量下進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，利用計(jì)算結(jié)點(diǎn)上的流動(dòng)參數(shù)，運(yùn)用伯努利方程計(jì)算出任意2個(gè)斷面之間的水力損失[15]。經(jīng)計(jì)算，Q=5.2 m3/s時(shí)，方案1~4的水力損失分別為0.074, 0.075, 0.120和0.122 m?？梢?jiàn)，不同進(jìn)水流道的水力損失相互之間差異不大，其水力損失的變化與設(shè)計(jì)方案密切相關(guān)。

方案1和2的立面型線不同，平面設(shè)計(jì)相同，內(nèi)部流動(dòng)水力損失僅相差1.0 mm，細(xì)微的水力損失變化與內(nèi)部流態(tài)之間的差異相符合。

方案3和4與前2個(gè)方案相比，兩者的流道進(jìn)口寬度相同、長(zhǎng)度相同，進(jìn)口高度僅相差70 mm。由于方案3和4的出口直徑減小為1 100 mm，故其平面收縮角從方案1的30°擴(kuò)大到32°。對(duì)水力損失影響最大的設(shè)計(jì)參數(shù)——流道進(jìn)口底板高程，從方案1的0.9 mm降低為方案3和4的0.8 m，相同流量下的水力損失增大幅度超過(guò)了60%。

進(jìn)行不同流量下進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算即可得到對(duì)應(yīng)流量下的流道水力損失。方案1和2水力損失相差不大，方案3和4水力損失相差也不大，所以只對(duì)比進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案2與4的水力損失隨流量變化情況。經(jīng)數(shù)值模擬得出，流量為5.20, 5.42, 5.75, 6.20 m3/s時(shí)，方案2的水力損失為0.074, 0.082, 0.089和0.110 m，方案4的水力損失為0.121, 0.135, 0.144和0.170 m。 可見(jiàn)，進(jìn)水流道水力損失隨流量增大而增大，其大小近似與流量的平方成正比；設(shè)計(jì)方案不同，其水力損失有明顯差異。

5結(jié)語(yǔ)

在滿足現(xiàn)有運(yùn)行水位條件和原胥浦節(jié)制閘底板高程不變的情況下，結(jié)合所選潛水泵型，對(duì)流態(tài)進(jìn)行分析及不同進(jìn)水流道設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

(1)方案1和2的水泵進(jìn)水條件水泵軸向流速均勻度達(dá)到97.8%以上，最大偏流角小于2°，平均偏流角未超過(guò)1.5°，進(jìn)水條件良好。

(2)在流道長(zhǎng)度和立面型線幾乎不變的情況下，在一定范圍內(nèi)增加或減小流道進(jìn)口寬度，對(duì)流道水力損失和水泵進(jìn)水條件影響較小。

(3)在立面型線幾乎不變的情況下，增加流道長(zhǎng)度和進(jìn)口寬度，對(duì)水泵進(jìn)水條件影響較小。

(4)方案3和4的水泵進(jìn)水條件水泵軸向流速均勻度為77%左右，最大偏流角大于2°，平均偏流角超過(guò)1.5°，進(jìn)水條件欠佳。

根據(jù)泵站運(yùn)行特征水位和工程現(xiàn)狀，綜合評(píng)判進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)、水泵進(jìn)水條件和水力損失等3方面因數(shù)，胥浦泵站肘形進(jìn)水流道采用方案2，該方案進(jìn)水條件好，流道水頭損失小，可滿足水泵高效運(yùn)行的要求。

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Flow pattern analysis and optimization of elbow inlet conduits of Xupu running water pumping station

DING Jun1, DING Qing-peng2

(1.JiangsuSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesCo.,Ltd.,Yangzhou225127,China； 2.WaterAuthorityinYizheng,Yizheng211400,China)

Key words： Xupu pumping station; three-dimensional numerical simulation; CFD analysis; flow pattern; elbow inlet conduits; optimal design

呂楊， 張社榮， 于茂, 等. 基于XFEM的寒潮作用下水閘開(kāi)裂性狀分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015(3): 95-100. (LV Yang ZHANG She-rong, YU Mao, et al. Cracking behaviour analysis of sluices under the action of cold waves based on XFEM[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(3): 95-100.)

通信作者：張社榮(E-mail: tjuzsr@126.com)