井筒式泵裝置水力特性數(shù)值模擬

查智力　劉超　嚴(yán)天序

摘要：基于kε紊流模型和雷諾時(shí)均NS方程，運(yùn)用商用CFD軟件，對(duì)井筒式泵裝置進(jìn)行了三維流動(dòng)數(shù)值仿真計(jì)算。通過對(duì)性能曲線的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)工況下，進(jìn)水管直徑較大時(shí)效率較高。對(duì)比進(jìn)出水損失發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水損失隨著流量增大而增大，出水損失隨著流量增大先減后增。通過分析VX云圖和流線圖，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口管直徑較小時(shí)，流速較大，形成的漩渦也較大，漩渦區(qū)域渦量為大管徑時(shí)的2倍以上。對(duì)葉輪進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻度的分析，得到進(jìn)水管較大時(shí)，葉輪進(jìn)口的流速均勻度較高，但在流量超過330 L/s的工況下差異不明顯。從喇叭管進(jìn)口斷面平均渦量的計(jì)算分析中，得到喇叭管進(jìn)口斷面平均渦量隨著流量增大而增大，且進(jìn)水管直徑較大時(shí)，平均渦量小，減小超過20%。

關(guān)鍵詞：井筒式泵裝置；水力特性；數(shù)值模擬；水力損失；渦量

中圖分類號(hào)：TV131.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2018）02018907

Abstract：

Based on the kepsilon turbulent flow model and the Reynoldsaveraged NS equation，we performed threedimensional flow numerical simulation on the wellbore pump installation using commercial CFD software.Through the analysis of the performance curve，we found that the pump was more efficient when the diameter of the inlet pipe was larger.By comparing the loss of inlet water and outlet water，we found that the inlet water loss would increase with the flow rate，and the outlet water loss would first decrease and then increase with the increase of flow rate.By analyzing the VX cloud and flow graph，we found that when the diameter of the inlet pipe was relatively small，the flow velocity was relatively large， and the vortex was also large.The vorticity of the vortex was more than twice of that when the pipe diameter was large.Analysis on the distribution uniformity of axial flow velocity at the impeller inlet section revealed that the flow velocity uniformity of the impeller inlet was relatively high when the inlet pipe was large，but the difference was not obvious when the flow rate exceeded 330 L/s.From the calculation of the average vorticity at the inlet section of the belltube，we found that the average vorticity at the belltube inlet section would increase with the flow rate， and it would decrease by more than 20% when the inlet pipe diameter was large.

Key words：

wellbore pump installation；hydraulic characteristics；numerical simulation；hydraulic loss；vorticity

隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以及全國(guó)各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，越來越多的區(qū)域里的廢水不能排出，這就需要泵站去提升和輸送[13]。一體化泵站應(yīng)運(yùn)而生，尤其在市政工程領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用。一[HJ1.95mm]體化泵站包含了泵站的所有要素，由水泵、管路、閥門、儀表、控制設(shè)備等組成[4]。主體為復(fù)合纏繞玻璃鋼筒體，抗腐蝕能力較好。一體化泵站采用的進(jìn)水形式是井筒式的進(jìn)水形式，但這種進(jìn)水形式，水流在從進(jìn)水管進(jìn)入井內(nèi)的過程中，往往會(huì)比較紊亂，容易形成漩渦，從而導(dǎo)致葉輪進(jìn)水條件差。因此，使井內(nèi)水流更加平順，盡可能避免漩渦的產(chǎn)生，提高水流的均勻性，從而提高葉輪入口的流速均勻度，是提高裝置效率的重要途徑。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一些對(duì)于一體化泵站應(yīng)用的研究，但是對(duì)于一體化泵站性能方面的研究較少。Levey，Tom 和 Jeffus，Stephen[5]介紹了一體化泵站在設(shè)計(jì)和制造方面的發(fā)展，王東進(jìn)[6]對(duì)一體化泵站進(jìn)行了介紹，就一體化泵站和傳統(tǒng)混凝土泵站的各方面做了詳細(xì)的對(duì)比，體現(xiàn)出了一體化泵站的優(yōu)勢(shì)。王卓穎[7]等進(jìn)行了預(yù)制泵站在中小型泵站中的優(yōu)化研究。胡凱[8]等以傳統(tǒng)泵站有效容積的計(jì)算方法為基礎(chǔ)，分析出一體化預(yù)制泵站的優(yōu)化后的有效容積。

上述研究中，主要還是對(duì)于應(yīng)用方面的介紹，對(duì)于具體的水力特性進(jìn)行詳細(xì)分析的較少。本文結(jié)合相關(guān)研究[911]，提出了在常規(guī)的進(jìn)水管直徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行改變，加大進(jìn)水管直徑的方法，期望能改善泵裝置的水力特性。對(duì)井筒式泵裝置的水力特性進(jìn)行數(shù)值模擬[1215]，分析其內(nèi)部流動(dòng)特性，以及兩種不同進(jìn)水管尺寸的泵裝置水力特性區(qū)別。

1計(jì)算模型和網(wǎng)格

1.1幾何建模及數(shù)學(xué)模型

井筒式泵裝置主要由進(jìn)水管、井筒、喇叭管、葉輪、導(dǎo)葉、出水管組成。其中，井筒直徑1 500 mm，進(jìn)水管直徑400 mm，葉輪名義直徑300 mm，葉片數(shù)為四片。出水管由直管1、90°彎管、直管2三段組成，出水管直徑350 mm。該泵裝置物理模型示意圖見圖1。

1.2計(jì)算方法和邊界條件

水泵在正常情況下運(yùn)行時(shí)，可以假定為不可壓縮黏性的流動(dòng)，采用雷諾平均NS方程。kε湍流模型[1618]是迄今為止在工程中應(yīng)用最為廣泛、積累經(jīng)驗(yàn)也最多的模型，在一般的定常計(jì)算中效果較好，因此本文采用標(biāo)準(zhǔn)kε湍流模型。整個(gè)計(jì)算域的進(jìn)[CM（22]口設(shè)置在進(jìn)水管入口，邊界條件按照流量給定：從[CM）]220 L/s到420 L/s，每隔20 L/s為一個(gè)計(jì)算工況，

高效區(qū)加密為10 L/s一個(gè)計(jì)算工況。出口設(shè)置在直管2的出口，邊界條件按照壓力條件給定：總壓力

為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。固體壁面設(shè)置為無滑移的邊界條件[19]。井筒內(nèi)水位假定在與進(jìn)水管上緣同等高度，自由水面根據(jù)剛蓋假定[20]設(shè)置為對(duì)稱面。葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其他設(shè)置為靜止域，葉輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。喇叭管出口與葉輪進(jìn)口以及葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口為動(dòng)靜交界面，采用stage模型[21]，其余交界面都是一般連接。

1.3網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)有的研究[22]，一般推薦生成的葉輪單通道網(wǎng)格在7萬～9萬左右，導(dǎo)葉單通道網(wǎng)格在5萬～9萬左右為宜。本文葉輪和導(dǎo)葉采用TurboGrid軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，其中葉輪網(wǎng)格單元數(shù)434 528，導(dǎo)葉網(wǎng)格單元數(shù)557 277，基本符合推薦的范圍。管道的網(wǎng)格采用ICEM六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中直管的網(wǎng)格質(zhì)量在065以上，彎管和喇叭管的網(wǎng)格質(zhì)量在055以上。井筒部分的網(wǎng)格采用ANSYS mesh軟件剖分，網(wǎng)格數(shù)量1 529 441，控制最小角度大于18°。各部件的網(wǎng)格劃分見圖2。各部分的網(wǎng)格質(zhì)量見圖3，90%以上都是好網(wǎng)格，還有一些可接受的網(wǎng)格，存疑的網(wǎng)格數(shù)量少于1%，根據(jù)參考教程[23]，網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿足計(jì)算要求。

2計(jì)算結(jié)果及分析

常見的井筒式泵站的進(jìn)水管一般較小，尺寸和出水管接近。這可能使得進(jìn)水流速較大，水力損失較大，從而性能較低。根據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)水管內(nèi)水流速度以1 m/s左右為宜，得到進(jìn)水管直徑為660 mm左右，與400 mm的常規(guī)方案進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)際的泵裝置布置時(shí)，進(jìn)水管前有較長(zhǎng)的管路，較[CM（22]大的管徑會(huì)導(dǎo)致初期建設(shè)投資成本較高，因此[CM）]

2.1性能預(yù)測(cè)和水力損失

兩種方案的性能預(yù)測(cè)如圖4所示。在不同的流量工況下，方案2的揚(yáng)程和效率始終高于方案1，并且隨著流量的增大，方案2與方案1的水力性能差值越來越大。其中，在設(shè)計(jì)工況下，即流量在330 L/s附近時(shí)，方案2的效率比方案1高59個(gè)百分點(diǎn)左右，揚(yáng)程高035 m左右。在小流量工況下，這個(gè)差值較?。欢诖罅髁抗r下，差值更加明顯。

軸流泵裝置的特點(diǎn)是揚(yáng)程低，這就導(dǎo)致井筒內(nèi)的水頭損失和出水管的損失占裝置揚(yáng)程比值較大，對(duì)水泵裝置效率的影響明顯，所以裝置的水頭損失直接影響到實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益[24]。由于井筒內(nèi)部流態(tài)較為復(fù)雜，目前沒有此類水頭損失的系數(shù)數(shù)據(jù)可供使用，計(jì)算其水頭損失理論難度較大。因?yàn)槠鋬?nèi)部速度和壓力分布不規(guī)律，難以通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得水頭損失。本文通過數(shù)值模擬得到流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)，根據(jù)任意兩個(gè)截面的流速、壓力的平均值，運(yùn)用伯努利方程便可以求出兩個(gè)截面間的水頭損失大小。計(jì)算得到的兩個(gè)方案的進(jìn)水損失和出水損失見圖5。

根據(jù)圖5給出的曲線，進(jìn)水損失隨著流量的增大而增大，出水損失隨著流量的增大先減后增。小流量工況下兩個(gè)方案的出水損失，以及大流量工況下方案1的進(jìn)水損失都超過05 m，這對(duì)此時(shí)泵裝置運(yùn)行的效率造成較大影響?？傮w來說，小流量工況下進(jìn)水損失是小于出水損失的，但在流量較大時(shí)，方案1的進(jìn)水損失大于出水損失。對(duì)比方案1和方案2，方案1的進(jìn)水損失比方案2大015 m到065 m左右。而方案2的出水損失與方案1相差較小，說明進(jìn)水管的改變對(duì)出水損失影響不大，主要影響進(jìn)水損失。

計(jì)算了三種工況：小流量工況260 L/s，設(shè)計(jì)工況330 L/s，大流量工況400 L/s，截取三個(gè)工況下的進(jìn)水管中心高度的XY平面截面進(jìn)行分析，X方向（即進(jìn)水管軸向）速度VX分布以及流線情況見圖6。由圖6可知，相同工況下，由于方案1的進(jìn)水管直徑比方案2小，所以進(jìn)水的VX比方案2大得多，甚至超過了兩倍。由于進(jìn)水管正對(duì)著出水管的直管1的外壁，方案1流速較大，對(duì)管壁的沖擊會(huì)比較明顯，這也說明了方案1進(jìn)水損失大的原因。此外，從流線分布情況中又可以看出，進(jìn)水管中的水流入井筒后會(huì)形成一對(duì)漩渦，而且流量越大時(shí)漩渦越大，方案1大流量工況下漩渦中心附近平均渦量為小流量工況的4倍。對(duì)比方案1和方案2，則是流速較大的方案1形成的漩渦明顯大于方案2的漩渦。

為了得到兩個(gè)方案的漩渦大小的具體差值，取小流量工況、設(shè)計(jì)工況和大流量工況下該斷面的渦量圖見圖7。所截?cái)嗝嫖恢?，可以觀察到，水流從進(jìn)水管進(jìn)入后，按照順?biāo)鞣较蚩捶殖勺笥覂蓚?cè)，形成一對(duì)漩渦，左側(cè)的漩渦為逆時(shí)針，右側(cè)漩渦為順時(shí)針，左右并不完全對(duì)稱。除了小流量工況下，右側(cè)漩渦中心附近平均渦量略大于左側(cè)。方案2的該斷面渦量很小，除了一對(duì)小漩渦的區(qū)域以及部分邊壁區(qū)域，渦量都不超過10 s1。方案1在井筒內(nèi)形成較大的一對(duì)漩渦，且該斷面上整體的渦量明顯大于方案2。方案1漩渦區(qū)域較大，漩渦區(qū)域的渦量大于方案2的2倍。主要體現(xiàn)在進(jìn)水管邊壁、直管1的邊壁以及水流進(jìn)入井筒后形成的一對(duì)較大漩渦的附近。取漩渦核心區(qū)域計(jì)算圖示工況下的平均渦量，得到隨著流量的增大，渦量基本上是呈增大趨勢(shì)，右側(cè)漩渦基本略大于左側(cè)。

2.2葉輪進(jìn)口斷面流速均勻度

為了分析水泵葉輪進(jìn)水流態(tài)，引入水力性能指標(biāo)參數(shù)：軸向速度分布均勻度[1]對(duì)葉輪進(jìn)口斷面的水力性能進(jìn)行分析，用面積加權(quán)的流速分布均勻度[25]的計(jì)算公式如下。

Vuna=[JB（[]1-[SX（]1[][AKV-]a[SX）][KF（][SX（]∑[DD（]n[]i=1[DD）]（Vai-[AKV-]a）2·ΔAi[]A[SX）][KF）][JB）]]×100%

式中：[AKV-]a為葉輪室進(jìn)口斷面的平均軸向速度（m/s）；Vai為葉輪室進(jìn)口斷面各單元的軸向速度（m/s）；A為斷面總面積。

泵裝置的葉輪進(jìn)口斷面的軸向流速分布均勻度Vuna見圖8。隨著流量的增大，兩個(gè)方案的軸向流速分布均勻度都是提高的，但流量達(dá)到400 L/s后又趨于平緩，兩個(gè)方案之間均勻度差值也減小。該模型葉輪進(jìn)口斷面的軸向流速分布均勻度總體都在935%以上，進(jìn)水條件較好。與方案1相比，方案2的葉輪進(jìn)口斷面的流速均勻度有所提高。但是在流量大于330 L/s的工況下提高的幅度較小，差距并不明顯。

2.3喇叭管進(jìn)口斷面渦量

渦量是描寫旋渦運(yùn)動(dòng)重要的物理量之一，定義為流體速度矢量的旋度，漩渦通常用渦量來量度其強(qiáng)度和方向，渦量對(duì)水頭損失影響較大。由21中的斷面流線圖可知，方案1的井筒內(nèi)部漩渦明顯大于方案2，喇叭管進(jìn)口的漩渦已經(jīng)減小，但還是可能對(duì)水泵造成一定影響。因此有必要進(jìn)一步對(duì)喇叭管

進(jìn)口斷面平均渦量進(jìn)行分析。計(jì)算了兩個(gè)方案各流

量下的喇叭管進(jìn)口斷面的平均渦量見圖9。由圖中曲線可知，隨著流量增大，喇叭管進(jìn)口斷面平均渦量呈增大趨勢(shì)。方案2的喇叭管進(jìn)口斷面的平均渦量比方案1的該斷面平均渦量小，減小了超過20%。這也和進(jìn)水損失的情況相類似，說明進(jìn)口尺寸較小的方案1，渦量較大，損失也較大。

小流量工況、設(shè)計(jì)工況和大流量工況下喇叭管進(jìn)口斷面的渦量云圖及流線圖如圖10所示。由圖可知，在喇叭管進(jìn)口斷面，兩個(gè)方案都有一對(duì)漩渦，尺寸較小，漩渦中心的位置位于靠近出水方向一側(cè)，其中沿著順?biāo)鞣较蚩?，左?cè)的漩渦為逆時(shí)針方向，右側(cè)的水流為逆時(shí)針方向。方案1的漩渦方案偏離中心的位置的偏移距離大于方案2，且漩渦更為明顯。根據(jù)圖9，已經(jīng)算得該斷面的平均渦量方案2比方案1減小了20%。在圖10讀取具體數(shù)值，得到兩個(gè)方案該斷面最小渦量比較接近。方案2在設(shè)計(jì)工況下的最大渦量比方案1小40%左右，但是在大流量工況下，最大渦量基本一致。

3結(jié)論

通過對(duì)兩種不同進(jìn)口尺寸的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其水流流動(dòng)規(guī)律和水力特性，得到了如下結(jié)論。

（1）泵裝置的水力性能和進(jìn)水損失隨著流量的增大而增大，方案1的進(jìn)水損失是方案2的進(jìn)水損失的2到3倍。各流量下方案2的效率、揚(yáng)程均高于方案1，其中在設(shè)計(jì)工況下，方案2的效率比方案1高59個(gè)百分點(diǎn)左右。

（2）進(jìn)水管中的水流入井筒后形成一對(duì)漩渦，方案1大流量工況下漩渦中心附近平均渦量為小流量工況的4倍，進(jìn)水管出口流速較大的方案1形成的漩渦明顯大于方案2的漩渦，渦量為方案2的2倍以上。進(jìn)水管直徑對(duì)葉輪進(jìn)口斷面的軸向流速分布均勻度有一定影響，方案2比方案1略高，但在流量大于330 L/s的工況下差距并不明顯。

（3）喇叭管進(jìn)口斷面平均渦量隨著流量增大而增大，且方案2的平均渦量比方案1減少了20%以上，有助于水泵性能的改善。

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