顏紅勤,蔣紅櫻,周春峰,成 立,湯 雷
(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司,南京 210029;2.江蘇省南京市水務(wù)局設(shè)施管理中心,南京 210029;3.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)
出水流道是連接水泵導(dǎo)葉出口與出水池的銜接通道,其作用是為了水流在從水泵導(dǎo)葉出口流入出水池的過(guò)程中更好地轉(zhuǎn)向和擴(kuò)散,在不發(fā)生脫流或漩渦的條件下最大限度地回收動(dòng)能[1]。直管式出水流道由于斷面形狀簡(jiǎn)單,施工方便,水力損失小等優(yōu)點(diǎn),在揚(yáng)程較低的大、中型泵站中被廣泛應(yīng)用。
目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)出水流道進(jìn)行了廣泛研究,研究主要內(nèi)容有:直管式出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究[2];泵站出水流道模型水力損失的測(cè)試[3];直管式出水流道模型試驗(yàn)研究[4];貫流泵裝置及進(jìn)出水流道數(shù)值模擬分析[5];水泵轉(zhuǎn)速變化對(duì)出水流道水力損失的影響[6];泵站進(jìn)出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)研究[7]等。水流經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)通過(guò)導(dǎo)葉回收部分環(huán)量,但仍有一部分環(huán)量未完全消除,并對(duì)出水流道的水力性能產(chǎn)生影響。前人對(duì)直管式出水流道型線演變研究較少,因此,本文對(duì)臥式泵站直管式出水流道進(jìn)行數(shù)值模擬,采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技術(shù),探討出水流道在有剩余環(huán)量情況下,改變直管式出水流道型線對(duì)其流道內(nèi)水力損失及特征斷面水力性能的影響,研究成果為出水流道的水力設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
某單向臥式引水泵站,設(shè)計(jì)引水流量100 m3/s,設(shè)有3臺(tái)機(jī)組,葉輪直徑3 300 mm,葉片數(shù)為3片,葉片角度為0°,導(dǎo)葉數(shù)為5片,葉輪轉(zhuǎn)速為131.82 r/min。每臺(tái)泵設(shè)計(jì)流量33.3 m3/s,配套電機(jī)功率1 600 kW,總裝機(jī)4 800 kW;出水流道采用直管形式,總長(zhǎng)17.6 m。
某單向引水泵站運(yùn)行特征水位見表1。
表1 某單向引水泵站運(yùn)行特征水位 m
該單向臥式引水泵站采用直管式出水流道,葉輪直徑為3 300 mm,單機(jī)設(shè)計(jì)流量33.3 m3/s,出水流道出口尺寸8 000 mm×6 006 mm(寬×高)。選取5個(gè)斷面為漸變段結(jié)束位置。
計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水延伸段、葉輪、導(dǎo)葉、出水流道、出水延伸段5部分,其實(shí)體造型圖如圖1所示。
圖1 貫流泵出水流道實(shí)體造型圖
本文基于大型商用軟件ANASYS CFX數(shù)值計(jì)算,基于不可壓縮流體的連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程,忽略熱交換,湍流模型采用RNGk-ε模型,采用有限體積法求解,計(jì)算格式為高階迎風(fēng),收斂精度為10-4。將進(jìn)水延伸段進(jìn)口作為整個(gè)計(jì)算域的進(jìn)口,進(jìn)口邊界條件采用質(zhì)量流,將出水延伸段出口作為整個(gè)計(jì)算域的出口,出口邊界條件設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;在固體邊壁處規(guī)定無(wú)滑移條件,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理,動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子(Frozen Stator)模型,以保證交界面的連續(xù)性。
各計(jì)算部件在UG中進(jìn)行參數(shù)化建模,然后導(dǎo)入Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整個(gè)計(jì)算域y+值在30~500之間[8],葉輪網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為80.27 萬(wàn)個(gè),導(dǎo)葉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為106.98 萬(wàn)個(gè),出水流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為20.39 萬(wàn)個(gè),經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算,當(dāng)總體網(wǎng)格數(shù)達(dá)到232 萬(wàn)個(gè)時(shí),泵裝置揚(yáng)程和葉片扭矩波動(dòng)值均小于1%,滿足計(jì)算要求。
圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖
根據(jù)初步分析,影響直管式出水流道水力性能的主要參數(shù)有:漸變段長(zhǎng)度L1,出水流道總長(zhǎng)度L,出水出口斷面寬度B,出口斷面高度H等。因此設(shè)計(jì)13種典型出水流道進(jìn)行對(duì)比分析,方案1~5的出水流道斷面形狀由圓變方,斷面寬度在平面和立面方向均逐漸擴(kuò)大;方案6~9在平面方向上斷面寬度先擴(kuò)大后保持不變,保證漸變段之后的流道寬度與出口斷面寬度保持一致,而在立面方向的斷面均勻擴(kuò)大;方案10~13出水流道在平面與立面方向斷面形狀均先擴(kuò)散后保持不變。各方案出水流道的尺寸見表2。
圖3 出水流道研究方案設(shè)計(jì)參數(shù)圖
表2 直管式出水流道設(shè)計(jì)參數(shù)表
圖4為方案1~13在設(shè)計(jì)流量(Q設(shè)=33.3 m3/s)工況下的出水流道內(nèi)部流動(dòng)特性,圖5及圖6分別為方案5在Q=0.75Q設(shè)(Q=24.975 m3/s)的小流量工況與Q=1.25Q設(shè)(Q=41.625 m3/s)的大流量工況下的出水流道內(nèi)部流動(dòng)特性。取各方案出水流道三維流線圖及4個(gè)特征斷面流速云圖。
圖4 出水流道三維流線圖及速度云圖方案(設(shè)計(jì)流量工況,方案1~13)
水流在葉輪旋轉(zhuǎn)加速作用下具有一定的環(huán)量,水流流出葉輪進(jìn)入導(dǎo)葉,導(dǎo)葉對(duì)環(huán)量具有一定的回收作用,但是導(dǎo)葉還不能完全回收環(huán)量,導(dǎo)致流道內(nèi)水流呈螺旋狀。由方案1~5可看出,在設(shè)計(jì)流量工況下,當(dāng)漸變段較短時(shí),水流來(lái)不及重新分布,導(dǎo)致出水流道中間斷面水流流速分布不均勻,表現(xiàn)為一側(cè)速度大,而另一側(cè)速度略小一些,且靠近流道進(jìn)口處流態(tài)紊亂,隨著漸變段長(zhǎng)度的增加,流態(tài)分布愈均勻,且斷面流速分布明顯改善。對(duì)比方案6~9可知,改變平面方向?qū)挾葧r(shí),流道內(nèi)低速區(qū)有前移趨勢(shì),且流道內(nèi)部存在脫流,隨著漸變段長(zhǎng)度增加,流態(tài)改善明顯;而對(duì)比方案10~13可知,漸變段長(zhǎng)度較短時(shí),流道內(nèi)存在大面積脫流,靠近流道進(jìn)口處斷面上低速區(qū)范圍變大,流速分布非常不均勻。其中,方案5最好。對(duì)比圖4、圖5和圖6中方案5的出水流道三維流線圖與特征斷面流速云圖可知,在3種不同流量工況下,出水流道內(nèi)流態(tài)均平順?lè)€(wěn)定,流速分布均勻。
圖5 出水流道三維流線圖及速度云圖(小流量工況,方案5)
圖6 出水流道三維流線圖及速度云圖(大流量工況,方案5)
為了分析直管式出水流道斷面流態(tài),引入出水流道壓力恢復(fù)系數(shù)ζ反映出水流道對(duì)壓能的回收情況并計(jì)算各方案下出水流道水力損失,各計(jì)算公式如下:
(1)
(2)
式中:ζ為出水流道壓力恢復(fù)系數(shù);E壓為出水流道出口壓能,m;E進(jìn)為出水流道進(jìn)口壓能,m;hf為水力損失;P為出水流道進(jìn)口斷面1-1與出水流道出口斷面2-2的總壓之差;ρ為流體密度;g為重力加速度。
計(jì)算了各方案下貫流泵出水流道水力損失以及出口斷面壓力恢復(fù)系數(shù),計(jì)算結(jié)果如圖7所示。
由圖7可知,在設(shè)計(jì)流量工況下,各方案出水流道隨著漸變段長(zhǎng)度增加,水力損失逐漸減小,而出水流道壓力恢復(fù)系數(shù)隨漸變段長(zhǎng)度的增加而增大,出水流道回收動(dòng)能的能力越強(qiáng),均達(dá)到97%以上;當(dāng)不同形式下的漸變段處于同一位置時(shí),越靠近進(jìn)口處,出水流道水力損失相差越大,最大相差約16.95 cm,壓力恢復(fù)系數(shù)相差約1.5%,其中方案5水力損失最小為9.26 cm,且流道壓力恢復(fù)系數(shù)達(dá)到最高為98.81%。
圖7 出水流道計(jì)算結(jié)果圖(設(shè)計(jì)流量工況,方案1~13)
如圖8所示,計(jì)算了方案5在3種流量工況下的水力損失以及出口斷面壓力恢復(fù)系數(shù)。隨著流量的增加,出水流道水力損失逐漸增大,而出口斷面壓力恢復(fù)系數(shù)逐漸減小。
(1)出水流道當(dāng)斷面形狀設(shè)計(jì)為圓變方,在平面方向和立面方向均逐漸擴(kuò)大的形式時(shí),流道內(nèi)流態(tài)最好;將出水流道斷面在平面方向設(shè)計(jì)為先擴(kuò)散后平直,而在立面方向均勻擴(kuò)大的形式時(shí),流態(tài)較好,而將斷面在立面與平面方向均設(shè)計(jì)成先擴(kuò)散后平直時(shí),出水流道流態(tài)最差。
(2)同一形式下的出水流道隨著漸變段長(zhǎng)度的增加,水力損失減小,流道壓力恢復(fù)系數(shù)增大,且流道內(nèi)水流流態(tài)得到明顯改善。
圖8 出水流道計(jì)算結(jié)果圖(3種流量工況,方案5)
(3)在3種不同流量工況下,方案5出水流道內(nèi)的流態(tài)都平順?lè)€(wěn)定,流速分布均勻。
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