陳仕貝

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)

CFD技術(shù)在汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶塔崗圍南港排澇泵站流道優(yōu)化的應(yīng)用

陳仕貝

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

在防洪泵站中，出水流道是非常重要的組成部分，水力特性對(duì)泵站的運(yùn)行安全以及泵站的裝置效率影響非常大，如果設(shè)計(jì)不合理，會(huì)出現(xiàn)尾渦、回流等二次流，造成水力損失，因此合理地進(jìn)行出水流道設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文首先對(duì)CFD技術(shù)進(jìn)行了介紹，然后結(jié)合工程具體情況，對(duì)采用CFD技術(shù)對(duì)泵站流道優(yōu)化做了探討，并提出了優(yōu)化措施。

CFD技術(shù)；排澇泵站；流道優(yōu)化

在對(duì)排澇泵站流道進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，泵站流道內(nèi)部流態(tài)較復(fù)雜，所以使用原型觀測(cè)或模型試驗(yàn)方法檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢測(cè)費(fèi)用也較高。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，常規(guī)采用水力損失分段計(jì)算的方法來(lái)預(yù)測(cè)流道的水力特性，但是這種方法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較低，無(wú)法進(jìn)行多方案優(yōu)化對(duì)比。隨著數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)在排澇泵站流道優(yōu)化中的應(yīng)用日益廣泛，通過(guò)利用CFD技術(shù)可以模擬泵站不同方案下流道內(nèi)部的流動(dòng)情況，并分析數(shù)值模擬結(jié)果，預(yù)測(cè)流道水力性能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 CFD技術(shù)介紹

CFD 技術(shù)，是利用數(shù)值方法將流場(chǎng)的控制方程離散到一系列網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，并將離散數(shù)值解計(jì)算出來(lái)。所有流體流動(dòng)都遵循能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒定律?？梢苑謩e將能量方程、動(dòng)量方程、連續(xù)性方程導(dǎo)出，然后得到納維爾-斯托克斯偏微分方程組，該方程組包括了流體流動(dòng)過(guò)程中遵守的所有規(guī)律。在守衡方程組的基礎(chǔ)上，將流體流動(dòng)的初始條件、邊界條件以及特殊性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型反映出來(lái)，進(jìn)而組成封閉方程組來(lái)對(duì)流體和特定流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行描述。

一般來(lái)說(shuō)，流場(chǎng)控制方程組主要包括三種類(lèi)型，分別為拋物型、橢圓型、雙曲型偏微分方程組，從物理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，橢圓型方程與時(shí)間變量沒(méi)有關(guān)系，只與空間變量二次導(dǎo)數(shù)項(xiàng)有一定的關(guān)系。通常用來(lái)對(duì)定常情況下的控制方程進(jìn)行描述。雙曲型方程和拋物型方程不僅與空間變量導(dǎo)數(shù)有一定的關(guān)系，而且與時(shí)間變量的一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)和二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)相關(guān)，可以用于對(duì)非定常情況下的控制方程進(jìn)行描述。在進(jìn)行CFD數(shù)值求解時(shí)，常用的方法主要有：有限元分析法、有限容積法、有限差分法、邊界元法、譜分析法、數(shù)值積分變換法、格子-Boltzmann法等；雖然后面的幾種方法近年來(lái)發(fā)展較快，而且已解決了一部分問(wèn)題，但是，從方法實(shí)施的難易程度、成熟程度和應(yīng)用廣泛性的角度來(lái)說(shuō)，有限元法和有限容積法最具優(yōu)勢(shì)。雖然數(shù)學(xué)上針對(duì)不同類(lèi)型的方程，已經(jīng)發(fā)展出不同的收斂算法和穩(wěn)定算法，但是針對(duì)雙曲型方程和拋物型方程一般都使用有限容積法，而對(duì)于橢圓型方程則建議使用有限元法。當(dāng)前大型商業(yè)化CDF軟件中只有FIDAP是采用有限元法的，而PHOENICS、CFX、STAR-CD、FLUENT等都使用有限容積法進(jìn)行計(jì)算。CFD技術(shù)近幾年的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a. 網(wǎng)格形態(tài)從過(guò)去規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格逐步發(fā)展成更具靈活性的四面體、三角形和多邊形等非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，具有更強(qiáng)的適用性[1]。

b. 利用解微分方程或代數(shù)變換的方法進(jìn)行構(gòu)造，確保坐標(biāo)曲面和求解域邊界重合。雖然求解域在物理空間內(nèi)形狀比較復(fù)雜，但是經(jīng)過(guò)變換后空間內(nèi)為規(guī)則的圓柱體或長(zhǎng)方體。

c. 網(wǎng)絡(luò)單元間距劃分達(dá)到了自適應(yīng)化，并根據(jù)問(wèn)題物理量的變化梯度對(duì)分布網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，提升解題的效率和精度[2]。與此同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)局部加密精度，使局部分辨率提升，從而更好地對(duì)流動(dòng)機(jī)理和流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行捕捉。

d. 可以將網(wǎng)格劃分成各種不同的結(jié)構(gòu)塊，可實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)塊數(shù)據(jù)的交換和通信，有規(guī)則地對(duì)復(fù)雜外形進(jìn)行劃分，從而適用于各種復(fù)雜的幾何形狀。

e. 在線附近、間斷面或者計(jì)算不穩(wěn)定的情況下，可采用自動(dòng)人工黏性計(jì)算，可獲得穩(wěn)定、平滑的數(shù)值解。

f. CFD程序設(shè)計(jì)逐步實(shí)用化。主要包括各類(lèi)冰箱計(jì)算設(shè)計(jì)方法和各面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想[3]。例如進(jìn)行共享內(nèi)存的多CPU并行計(jì)算、分區(qū)并行計(jì)算，進(jìn)行工作站集群方式的大規(guī)模計(jì)算、分布式內(nèi)存大規(guī)模計(jì)算。

g. 可使用多重網(wǎng)格加速的方法來(lái)提升收斂的穩(wěn)定性以及收斂的速度。當(dāng)前，CFD實(shí)際應(yīng)用主要有三種方法。一是使用CFD程序的設(shè)計(jì)思想，可讓用戶根據(jù)具體的問(wèn)題進(jìn)行分析和編程，具有程序?qū)I(yè)性強(qiáng)、施工成本低、施工規(guī)模小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是要求企業(yè)有專業(yè)人才，會(huì)增加工作量，軟件通用性比較差，而且需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成，適用于開(kāi)發(fā)能力比較強(qiáng)的行業(yè)研究所。二是根據(jù)企業(yè)自身特點(diǎn)，科學(xué)地選擇商業(yè)流體分析軟件[4]。這種方法具有較強(qiáng)的針對(duì)性，軟件具有較強(qiáng)的通用性，可以將所有的物理模型、算法與建模、網(wǎng)絡(luò)劃分、解算后處理結(jié)合到一個(gè)軟件包中，使用起來(lái)比較方便，可以用于解算各種復(fù)雜的幾何形體。但是這種方法對(duì)企業(yè)的技術(shù)力量和經(jīng)濟(jì)實(shí)力要求比較高，一般適用于常使用CFD技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題的大型企業(yè)。三是企業(yè)委托專門(mén)的CFD單位，利用專業(yè)的商業(yè)軟件和專門(mén)的人才來(lái)完成任務(wù)。這種方法分工明確、專業(yè)靈活，投入人力小，適合我國(guó)大多數(shù)企業(yè)[5]。通過(guò)使用CFD技術(shù)可以幫助人們實(shí)現(xiàn)流動(dòng)相關(guān)的計(jì)算，可完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作，并優(yōu)化參數(shù)的優(yōu)擇。

2 工程概況

汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶新津河、外砂河河口治理及綜合開(kāi)發(fā)工程處在汕頭市韓江三角洲網(wǎng)河出?？陂T(mén)區(qū)域，工程分為三片：汕頭港防砂堤—新津河口、新津河口—外砂河口、外砂河口—萊蕪島。塔崗圍南港排澇泵站(以下簡(jiǎn)稱排澇站)主要負(fù)責(zé)外砂河口—萊蕪島片排澇。排澇站內(nèi)安裝3臺(tái)立式軸流泵組，水泵型號(hào)為1600ZLB-3，單泵設(shè)計(jì)流量為8.70m3/s，泵站排澇總流量為25m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.11m，最大揚(yáng)程4.30m，水泵轉(zhuǎn)速250r/min，電機(jī)型號(hào)為T(mén)L450-24/1730，額定電壓10kV，電機(jī)額定容量450kW。排澇站廠房為濕式半地下廠房，電機(jī)安裝高程為4.00m，水泵安裝高程為-3.00m(葉輪中心線高程)。當(dāng)外水位低于內(nèi)水位時(shí)利用水泵下部矩形流道自流排水，當(dāng)外水位高于內(nèi)水位時(shí)利用水泵排水。排澇站進(jìn)出水池特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 排澇站進(jìn)出水池特征參數(shù)

3 CFD技術(shù)的應(yīng)用

由于防洪泵站所處地區(qū)地勢(shì)比較復(fù)雜，地理環(huán)境也比較特殊，為了設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的出水流道，保證流動(dòng)穩(wěn)定性，降低水力損失，共計(jì)算了兩個(gè)方案。

方案一和方案二計(jì)算模型如圖1和圖2所示。其中方案二是對(duì)方案一前池加一隔斷墻，其他不變。

圖1 方案一計(jì)算物理模型

圖2 方案二計(jì)算物理模型

為了計(jì)算結(jié)果的可比性，劃分網(wǎng)格時(shí)，方案二的前池采用與方案一相同的策略，其他部分仍用方案一的網(wǎng)格。性能預(yù)測(cè)和內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算如下。

3.1 性能預(yù)測(cè)

求解器型號(hào)為ANSYS-CFX 12.0，定常求解，計(jì)算選用Standard k-epsilon湍流模型，收斂精度為1×10-4，進(jìn)口為總壓，出口為質(zhì)量流量[6]。對(duì)設(shè)計(jì)流量Q0=8m3/s(即1.0Q0)及0.9Q0、1.1Q0共三個(gè)流量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算得到的性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CFD分析得到的性能參數(shù)

3.2 內(nèi)部流場(chǎng)

為了更清楚地了解該泵站內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，取Q=0.9Q0=7.2m3/s、設(shè)計(jì)流量Q0=8m3/s和Q=1.1Q0=8.9m3/s三種情況的內(nèi)部流場(chǎng)，進(jìn)行了匯總對(duì)比，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)計(jì)流量Q0=8m3/s時(shí)，方案一、方案二計(jì)算得到的揚(yáng)程分別為2.48m、2.50m，兩者基本相同，均滿足設(shè)計(jì)要求；水力效率為87.57%、87.67%，也基本相同。在Q=0.9Q0=7.2m3/s時(shí)，方案一的揚(yáng)程和效率均略高于方案二，在Q=1.1Q0=8.8m3/s時(shí)，方案一的揚(yáng)程和效率均略低于方案二，這說(shuō)明方案二前池增加的隔斷墻，有助于改善大流量的流態(tài)，但對(duì)小流量的流態(tài)有不利影響。

從實(shí)際情況來(lái)看，泵內(nèi)部流態(tài)較好，前池部分(從進(jìn)水方向看，主要是泵軸中心線前方)，無(wú)論是方案一還是方案二都有較明顯的漩渦。為了解決這一問(wèn)題，考慮設(shè)置隔斷墻。通過(guò)設(shè)置隔斷墻不僅可以有效阻礙水順暢地進(jìn)入喇叭口，而且可以消除一些較大尺度的漩渦，這可能是因?yàn)樗鼘?duì)小流量有不利影響，但是可以改善大流量的原因。綜上所述，在充分考慮泵站一般在設(shè)計(jì)點(diǎn)及大流量點(diǎn)之間運(yùn)行，建議用隔斷墻。

4 應(yīng)用效果

汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶塔崗圍南港排澇泵站流道經(jīng)過(guò)上述分析后，設(shè)計(jì)采用隔斷墻進(jìn)行流道的優(yōu)化。在增加隔斷墻以后，排澇泵站流態(tài)得到了顯著的改善，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，取得了良好的優(yōu)化效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶塔鋼圍南港灣泵站流道優(yōu)化中應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬得出可以有效減少出水流道的開(kāi)發(fā)周期，可提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的結(jié)論。方案二增加隔斷墻以后，對(duì)流態(tài)改善明顯，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展下，CFD技術(shù)可彌補(bǔ)常規(guī)方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高的不足，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陸林廣，劉麗君.泵站出水流道基本流態(tài)分析[J].水利學(xué)報(bào)，2000(3)：69-76.

[2] 陸林廣.泵站進(jìn)水流道設(shè)計(jì)理論的新進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001(1)：40-45.

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Applying CFD Technology to Optimization of Water Drainage Pump Station Runner in Tagangwei South Harbor, East City Economic Belt, Shantou

CHEN Shibei

(GuangzhouProvincialInstituteofWaterConservancyandPowerSurvey,Guangzhou510635,China)

In flood-control pump station, discharging runner is an import ingredient. Hydraulic characteristics have big impacts on secured operation and installation efficiency of pump station. Unreasonable designing would lead to trailing vortex, backflow and other secondary flow and cause hydraulic loss, so reasonable implementation of designing of discharging runner is quite important. This article starts by introducing CDF technology, then by combining with specific condition of the project, it probes into optimization of runner in pump station by use of CFD technology.

CFD technology; water drainage pump; runner optimization

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.017

TV222.2

A

1673-8241(2017)05- 0046- 04