某泵站不同葉輪直徑出水流道方案的數(shù)值計(jì)算

黃金軍 陳阿萍 葉曉東 尹 華

（1.常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 常州 213000； 2.常州市城市防洪工程管理處 常州 213000）

某泵站不同葉輪直徑出水流道方案的數(shù)值計(jì)算

黃金軍1陳阿萍2葉曉東1尹 華1

（1.常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 常州 213000； 2.常州市城市防洪工程管理處 常州 213000）

采用數(shù)值計(jì)算的方法，利用Fluent流體力學(xué)分析軟件研究了某大型低揚(yáng)程立式泵站不同葉輪直徑出水流道的基本流態(tài)，并將流道的水力損失進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：隨著葉輪直徑的增大，出水流道內(nèi)的流態(tài)明顯的改善，出水流道的水力損失明顯減少。

進(jìn)水流道 基本流態(tài) 水力損失 比較

1 引言

出水流道是泵站裝置的一個(gè)重要組成部分，出水流道的水力性能對(duì)泵站的裝置效率有著重要的影響，特別是對(duì)低揚(yáng)程泵站，其重要性顯得更為突出。本文借用某大型低揚(yáng)程立式泵站H站的有關(guān)參數(shù)，采用流道單獨(dú)研究的方法，利用Fluent流體力學(xué)分析軟件對(duì)與不同葉輪直徑配套的虹吸式出水流道的水力性能進(jìn)行研究。該方法的最大特點(diǎn)是可以較為準(zhǔn)確地了解出水流道的水力特性，并便于對(duì)它們進(jìn)行多方案的比較。

2 關(guān)于出水流道

與大型立式軸流泵配套使用的出水流道形式一般有虹吸式和直管式出水流道。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50265-2010）推薦：對(duì)于立式軸流泵站，當(dāng)出水池水位變化幅度不大時(shí)，宜采用虹吸式出水流道；對(duì)于出水池最低運(yùn)行水位較高的泵站，可采用直管式出水流道。

虹吸式出水流道是一種彎曲形的流道，由于它可以安全地越過堤防，而且流道可以直接擋洪，在斷流方式方面的優(yōu)點(diǎn)突出，在大型立式泵站中得到了十分廣泛的應(yīng)用。虹吸式流道采用真空破壞閥斷流，不需要設(shè)置快速閘門或拍門，不僅投資省、日常維護(hù)工作量小，而且可靠性高。

本文選擇了水力性能最好、應(yīng)用最為廣泛的虹吸式出水流道為對(duì)象，研究葉輪直徑對(duì)出水流道水力損失的影響。

3 虹吸式出水流道計(jì)算方案

本文借用H泵站的有關(guān)參數(shù)，確定了水泵葉輪直徑為D=3.0m、D=3.4m和D=3.6m三個(gè)研究方案，分別對(duì)與這3個(gè)葉輪直徑的水泵相配套的虹吸式出水流道方案進(jìn)行了優(yōu)化水力計(jì)算。這三個(gè)方案出水流道方案的控制尺寸相同，但流道進(jìn)口段的幾何形狀根據(jù)導(dǎo)葉出口的幾何尺寸做了相應(yīng)調(diào)整。本文所采用經(jīng)過優(yōu)化后的三個(gè)方案的出水流道單線圖見圖1。

4 出水流道計(jì)算區(qū)域及邊界條件

為方便設(shè)置出水流道進(jìn)、出口的邊界條件，分別沿出水流道的進(jìn)、出口分別向外拉伸一定長(zhǎng)度，出水流道的數(shù)值計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水直管、出水流道和出水池，出水流道的取壓斷面設(shè)在出水流道的進(jìn)口和距出水流道出口有一段距離的出水池內(nèi)。出水流道計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

為了準(zhǔn)確地應(yīng)用進(jìn)口的邊界條件，將計(jì)算流場(chǎng)從出水流道的進(jìn)口斷面逆水流方向等直徑延伸，使計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口斷面設(shè)置在距出水流道進(jìn)口2倍圓管直徑處。在這里，可認(rèn)為來流速度在整個(gè)斷面上均勻分布，計(jì)算流量作為已知條件，故而計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件?？紤]到導(dǎo)葉出口的水流一般都不同程度具有剩余環(huán)量，為了模擬實(shí)際的流動(dòng)情況，根據(jù)對(duì)模型泵出口水流環(huán)量的測(cè)試結(jié)果，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)口的水流預(yù)置一定的環(huán)量；計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在距流道出口有一定距離的出水池內(nèi)，出口斷面為一垂直于水流方向的斷面。在這里，流動(dòng)是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。

5 出水流道計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分

本章對(duì)出水流道計(jì)算區(qū)域內(nèi)不同的計(jì)算單元采用不同網(wǎng)格類型、不同網(wǎng)格密度的網(wǎng)格剖分形式。即對(duì)出水流道采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)水直管和出水池采用混合網(wǎng)格、cooper網(wǎng)格進(jìn)行延拓，具體網(wǎng)格剖分情況如圖2所示。

6 出水流道的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

三個(gè)方案的出水流道表面流場(chǎng)圖和分層流場(chǎng)圖分別見圖3、圖4。

從出水流場(chǎng)圖可以看出：由于在出水流道進(jìn)口預(yù)設(shè)了一定的進(jìn)口環(huán)量，因此水流是旋轉(zhuǎn)著進(jìn)入出水流道的；出水流道上升段各斷面的高度雖逐步減小，但隨著流道寬度的逐步擴(kuò)大，上升段內(nèi)的流速還是逐步減小，由于轉(zhuǎn)向角度和擴(kuò)散較為平緩，該段流道內(nèi)無(wú)脫流現(xiàn)象；流道下降段內(nèi)水流由于受到水流慣性和環(huán)量的雙重作用，導(dǎo)致下降段內(nèi)左右兩側(cè)的流場(chǎng)不對(duì)稱，順?biāo)鞣较蚩?，主流偏向流道的左?cè)上部，而在流道右側(cè)下部區(qū)域可能出現(xiàn)局部旋渦。

通過流場(chǎng)還可以清楚地看到：方案1的出水流道在下降段的右側(cè)下部區(qū)域存在一個(gè)明顯的低速回流區(qū)，隨著葉輪直徑的增大，回流區(qū)區(qū)域逐漸減小，方案3的出水流道內(nèi)已經(jīng)無(wú)回流區(qū)域。

三個(gè)方案出水流道的水力損失計(jì)算結(jié)果見表1，由計(jì)算結(jié)果可以看出，出水流道的水力損失接近于與葉輪直徑的4次方成反比。

圖1 三個(gè)方案出水流道單線圖

圖2 出水流道計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分圖

圖3 各方案出水流道表面流場(chǎng)圖

表1 3個(gè)方案出水流道數(shù)值計(jì)算結(jié)果表

圖4 各方案出水流道分層流場(chǎng)圖

7 結(jié)論

本文采用流道單獨(dú)研究的方法對(duì)不同葉輪直徑的3個(gè)虹吸式出水流道進(jìn)行三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析，得到如下結(jié)論：

（1）在設(shè)計(jì)流量一定的條件下，選取較大的水泵葉輪直徑有利于改善出水流道的流態(tài)和減少出水流道水力損失，進(jìn)而提高泵站裝置效率。

（2）適當(dāng)加大水泵葉輪直徑，出水流道控制尺寸沒有隨葉輪直徑的增加而增加，只是相應(yīng)的調(diào)整出水流道的進(jìn)口型線，因此土建投資增加較少