斜式軸流泵裝置內(nèi)流特性數(shù)值分析與驗證

胡文竹，仝道斌，李忠斌，王瑞，楊帆, 3*

?灌溉技術與裝備?

斜式軸流泵裝置內(nèi)流特性數(shù)值分析與驗證

胡文竹1，仝道斌2，李忠斌1，王瑞2，楊帆1, 3*

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.宿遷市宿城區(qū)水利局，江蘇 宿遷 223800；3. 江蘇省水利動力工程重點實驗室，江蘇 揚州 225009）

【】分析斜式軸流泵裝置流道內(nèi)部的流動特性?；贑FD技術對30°斜式軸流泵裝置全流道進行三維數(shù)值模擬計算，明晰了不同流量工況時泵裝置各過流結構的水力特性。肘形斜式進水流道出口存在明顯的速度梯度，最優(yōu)流量工況（1.0bep）時進水流道出口斷面的軸向流速均勻度為93%，速度加權平均角為85.2°；隨流量的增大，葉輪葉片高壓區(qū)逐漸從進水邊移向出水邊，葉片表面壓力呈規(guī)律性的梯度分布；導葉體出口斷面的速度環(huán)量隨流量的增大先減小后增大，最優(yōu)流量工況（1.0bep）時導葉體出口斷面的速度環(huán)量最??；平直管式出水流道彎管段的渦結構多為長條狀，主要分布在彎管進口處和泵軸附近。斜式軸流泵內(nèi)部流態(tài)相對均勻，肘形斜式進水流道能為葉輪提供良好的入流流態(tài)；斜式軸流泵裝置模型與試驗外特性基本一致，驗證了數(shù)值模擬的有效性。

斜式軸流泵；泵裝置；內(nèi)流場；水力性能；數(shù)值模擬

0 引言

【研究意義】斜式軸流泵裝置具有開挖深度小，流態(tài)平穩(wěn)，效率較高的優(yōu)點[1]，在平原地區(qū)的大中型低揚程泵站中得到廣泛應用。隨著我國對輸配水工程及灌溉排澇要求的提高，對斜式軸流泵裝置的水力性能也有了更高的要求。【研究進展】為此，國內(nèi)外學者針對軸流泵裝置的水力性能和壓力脈動特性開展了大量的研究工作。王正偉等[2]對比了大型15°斜式軸流泵數(shù)值計算結果與實測結果，發(fā)現(xiàn)CFD技術能夠準確預測正常工況和零揚程工況時泵裝置的性能曲線、壓力脈動、葉輪軸向水推力和徑向力等參數(shù)。劉超等[3]利用CFD技術對高效“S”形軸伸貫流泵裝置進行了全流道三維定常流動計算。吳晨暉等[4]通過試驗與數(shù)值模擬相結合的方式研究不同導葉相對距離對“S”形軸伸式貫流泵裝置的壓力脈動特性。謝麗華等[5]通過物理實驗及數(shù)值模擬研究了15°斜式軸流泵裝置的能量特性、空化特性和壓力脈動特性。吳東磊等[6]運用數(shù)值模擬的方法分析軸伸貫流泵內(nèi)部的脈動特性，并通過真機試驗進行可靠性驗證。楊帆等[7]開展了“S”形下臥式軸伸貫流泵裝置物理模型試驗，分析了泵裝置的能量性能和不同葉輪葉片安放角時的振動特性。王超越等[8]發(fā)現(xiàn)“S”形斜軸流泵出水流道存在偏流現(xiàn)象，通過泵裝置模型試驗來研究并揭示了偏流產(chǎn)生的原因和發(fā)展規(guī)律。

【切入點】學者們對貫流泵裝置的研究多集中于豎井式貫流泵裝置、平面“S”形軸伸貫流泵裝置、斜式軸流泵裝置的壓力脈動、空化特性等，對于斜式軸流泵裝置內(nèi)流特性的研究不夠?！緮M解決的關鍵問題】本文以斜30°軸流泵裝置作為研究對象，對不同工況時泵裝置全流道進行三維數(shù)值模擬，重點探究不同工況時泵裝置過流結構的內(nèi)部流動規(guī)律，明晰斜式軸流泵裝置的內(nèi)流特性，以期為斜式軸流泵裝置高效穩(wěn)定運行及結構優(yōu)化提供一定的參考。

1 計算模型及模擬方法

1.1 計算模型

30°斜式軸流泵裝置由肘形斜式進水流道、葉輪、導葉體和平直管式出水流道4個部分組成，如圖1所示。葉輪名義直徑為1.68 m，葉輪的葉片數(shù)為4，葉頂間隙為1.5 mm，導葉體的葉片數(shù)為5，輪轂比為0.402，額定轉(zhuǎn)速為250 r/min，最優(yōu)工況流量bep為10.66 m3/s。

圖1 30°斜式軸伸貫流泵裝置的三維模型

1.2 模擬方法

采用ANSYS TurboGrid軟件對葉輪和導葉體進行結構化網(wǎng)格劃分，采用ICEM CFD軟件對進、出水流道進行結構化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量對30°斜式軸流泵裝置的數(shù)值計算結果影響很大，通過角度值和雅克比行列式對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，雅克比行列式值均大于0.4。葉輪和導葉體網(wǎng)格正交性分別在28°～155°和31°～156°之間，滿足網(wǎng)格正交性在15°～165°之間的要求[9]。

30°斜式軸流泵裝置數(shù)值計算選用RNG湍流模型，RNG模型考慮了高應變率或大曲率過流面等因素的影響，從而提高了模型在旋流和大曲率情況下的精度，適用于旋轉(zhuǎn)坐標下的流動問題，且已被驗證用于求解泵及泵裝置的內(nèi)流場[10-13]。采用壁面函數(shù)對流場近壁區(qū)域進行計算，+為表征近壁面第1層網(wǎng)格中心到壁面距離的無量綱數(shù)，+的大小影響數(shù)值模擬的精度。30°斜式軸流泵裝置的肘形斜式進水流道+約為289，葉輪的+約為28，導葉的+約為53，平直管式出水流道的+約為201，均滿足文獻[14]對泵裝置內(nèi)部流動求解的要求。

邊界條件設置：采用質(zhì)量流進口條件，設置在進水延伸段進口面上；平直管式出水流道出口設置為靜壓出口，壓力為一個標準大氣壓；固體壁面設置為無滑移邊界條件；葉輪與進水流道、導葉體的交界面屬于動靜交界面，定常計算時采用Stage交界面，非定常計算時采用Transient Rotor Stator交界面，其余交界面均采用None交界面。

2 泵裝置性能預測及驗證

2.1 網(wǎng)格無關性及收斂性分析

在最優(yōu)工況下對泵裝置整體進行網(wǎng)格無關性分析，表1為相同控制方程和邊界條件下不同網(wǎng)格數(shù)量下泵裝置的效率。從表1可以看出，泵裝置效率隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而增加，當網(wǎng)格數(shù)量增加至483萬時，效率增加值在0.3%內(nèi)，泵裝置整體網(wǎng)格數(shù)量取483萬，滿足網(wǎng)格數(shù)量無關性的要求。

表1 網(wǎng)格無關性

2.2 模擬與試驗驗證

30°斜式軸流泵裝置的能量性能試驗在江蘇省高等學校重點實驗室的高精度封閉循環(huán)試驗臺上進行，試驗臺如圖2所示。試驗臺主要包括壓力進水箱、壓力出水箱、電磁流量計、控制閘閥及管道等。

圖2 高精度封閉循環(huán)試驗臺示意圖

為了驗證數(shù)值模擬的可靠性，將原型泵裝置的幾何尺寸按值相等原則換算至模型[15]，換算后的物理模型泵裝置的葉輪轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，葉輪名義直徑為0.3 m，過流結構的原型按比尺0.178 6縮放至模型。在葉片安放角0°的情況下，采集不同流量工況時泵裝置模型的揚程和效率，采用等效率換算方法將泵裝置物理模型試驗結果換算至原型[16]，換算后的物理模型性能結果與數(shù)值模擬的能量性能結果對比如圖3所示。30°斜式軸流泵裝置模型預測性能曲線與試驗曲線的變化趨勢基本一致，吻合度較好，表明了30°斜式軸流泵裝置數(shù)值模擬的有效性和可靠性。

圖3 模型試驗和數(shù)值模擬外特性對比

3 數(shù)值計算結果分析

3.1 30°斜式軸流泵裝置全流場分析

30°斜式軸流泵裝置不同流量時的全流道流線如圖4所示。肘形斜式進水流道內(nèi)部流態(tài)好，流線平順，葉輪旋轉(zhuǎn)將能量傳遞給水流，水流流速增大，在平直管式出水流道內(nèi)呈螺旋狀前進。導葉體回收了水流動能，降低流速，使原本螺旋前進的水流軸向前進，直至流出出水流道。隨著流量的變大，肘形斜式進水流道流態(tài)平順，平直管出水流道水流由螺旋狀流動逐漸變得平順。

圖4 泵裝置全流道三維流線圖

3.2 肘形斜式進水流道內(nèi)流特性分析

為了解肘形斜式進水流道內(nèi)水流流動特征，選取特征斷面對肘形斜式進水流道進行流速分析，特征斷面1-1為過流道中間點的縱斷面，為明晰肘形斜式進水流道內(nèi)從肘形漸變段到出口段的流速變化規(guī)律，取特征斷面2-2、斷面3-3于進水流道彎肘處及靠近進水流道出口處，且垂直于斷面1-1，兩斷面的中心點與肘形斜式進水流道出口斷面中心點的絕對距離分別為0.56、1.904，特征斷面示意圖如圖5所示。

圖 5 肘形斜式進水流道特征斷面示意圖

圖6為肘形斜式進水流道斷面1-1速度云圖。不同流量時水流流速從進水流道進口向出口方向呈遞增的趨勢，彎肘處的速度梯度沿著葉輪軸線往出口方向不斷增大。進水流道出口水流流速隨著流量的增大而增大，進水流道出口處斷面形狀為圓環(huán)狀，斷面面積較小，葉輪旋轉(zhuǎn)給水流提供能量，因此進水流道出口處的流速較進口處明顯增加。

圖7為不同流量工況時，肘形斜式進水流道斷面2-2、斷面3-3速度云圖。2個斷面的流速隨流量的增加而增加，流速分布狀態(tài)關于肘形斜式進水流道斷面1-1對稱。斷面2-2靠近流道頂面處，水流受低壓影響，產(chǎn)生較大流速。流道頂部斷面的水流流速較大，往流道底面流速不斷減小。斷面3-3水流高速區(qū)呈月牙狀，斷面中心存在低速區(qū)，這與斷面中心靠近導水帽頂端，水流受阻做繞流運動有關。

圖7 肘形斜式進水流道斷面2-2、斷面3-3速度云圖

引入軸向流速均勻度和速度加權平均角分析肘形斜式進水流道出口水力性能，計算式參考文獻[17]。圖8、圖9分別為肘形斜式進水流道出口斷面在1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的軸向流速均勻度和速度加權平均角。在1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，出口斷面的軸向流速均勻度和速度加權平均角比較穩(wěn)定，僅存在極小范圍的波動。1.0bep工況時，肘形斜式進水流道出口斷面的水力性能最好，軸向流速均勻度為93%，速度加權平均角約為85.2°。大流量工況時水流流動更加充分，流速發(fā)展均勻，因此大流量的流速均勻度和速度加權平均角均比小流量好。在1.0bep工況時，肘形斜式進水流道為葉輪提供了良好的進水條件，有利于葉輪高效穩(wěn)定地運行。

圖8 進水流道出口軸向流速均勻度

圖9 進水流道出口斷面速度加權平均角

3.3 葉輪和導葉體內(nèi)流特性分析

在旋轉(zhuǎn)運行狀態(tài)，葉輪域水流流態(tài)復雜，葉片表面承受了復雜的壓力。圖10為葉輪壓力面的壓力云圖。0.8bep工況時，葉片靠近輪轂處存在較大范圍的低壓區(qū)，由于葉片根部存在脫流、二次回流等不良流態(tài)，根部存在極小范圍的高壓區(qū)，葉片的高壓區(qū)位于葉片進水邊。1.0bep工況時，存在于葉根處的低壓區(qū)范圍明顯減小，高壓區(qū)轉(zhuǎn)移至葉片出水邊，葉片進水側高壓區(qū)范圍大幅減小。1.2bep工況時，壓力呈梯度分布，從進水邊向出水邊壓力逐漸增加，高壓區(qū)發(fā)展至葉片出水邊。

圖10 葉輪壓力面壓力云圖

為了解導葉體對水流的影響，取導葉體3個特征斷面進行分析。特征斷面1-1位于導葉體進口處，距離葉輪中心點軸向距離0.179，斷面2-2位于導葉體中間處，距離葉輪中心點軸向距離0.417，斷面3-3位于導葉體出口處，距離葉輪中心點軸向距離0.690，其斷面示意圖如圖11所示。

圖11 導葉體特征斷面示意圖

圖12—圖14分別為導葉體3個特征斷面在不同流量時壓力分布云圖。斷面1-1受導葉體葉片整流影響，形成5個近乎等間距分布于導葉體輪緣處的高壓區(qū)，隨著流量的增大，高壓區(qū)的壓力值和分布范圍均有所下降。導葉體葉片將斷面2-2分隔成5個區(qū)域，在0.8bep工況時區(qū)域內(nèi)存在明顯的高壓區(qū)與低壓區(qū)，隨著流量的變大，低壓區(qū)范圍逐漸縮小，高壓區(qū)范圍擴大。由于導葉體的能量回收作用，水流部分動能轉(zhuǎn)化為壓能，斷面3-3的壓力隨流量的增大逐漸增加，且高壓區(qū)范圍向?qū)~體輪緣附近收縮，低壓區(qū)范圍逐漸擴大。斷面3-3 壓力分布未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，說明斷面3-3處水流受導葉體葉片的影響較小。隨著水流在導葉體內(nèi)的流動發(fā)展和導葉體的能量回收作用，斷面2-2到斷面3-3的壓力逐漸趨于均勻化。

圖13 導葉體特征斷面2-2壓力云圖

圖14 導葉體特征斷面3-3壓力云圖

水流通過導葉體被回收了部分動能，速度環(huán)量減少，但通常水流流出導葉體時仍具有一定的速度環(huán)量，剩余的速度環(huán)量會對出水流道水力性能產(chǎn)生影響，因此對導葉體出口斷面速度環(huán)量進行分析，速度環(huán)量的計算式參考文獻[18]。

圖15反映了不同流量工況時導葉體出口斷面速度環(huán)量，整體變化趨勢先減小后增大，在1.0bep工況時導葉體出口斷面速度環(huán)量最低。0.7bep工況時，速度環(huán)量最大為17.00 m2/s，是1.0bep工況的33.66倍；1.2bep工況時，速度環(huán)量為6.76 m2/s，是1.0bep工況的13.52倍。1.0bep工況時導葉體回收動能效果最好，剩余速度環(huán)量少，有效改善平直管式出水流道的入流條件。

圖15 導葉體出口斷面速度環(huán)量

3.4 平直管式出水流道內(nèi)流特性分析

圖16是出水流道的縱剖面速度云圖。隨著流量變大，出水流道內(nèi)高壓區(qū)范圍不斷擴大。0.8bep工況時，靠近泵軸處存在局部高流速區(qū)。當流量增加至1.0bep工況時，高流速區(qū)范圍擴大至與低流速區(qū)范圍相當，流量增加至1.2bep工況時，低流速區(qū)僅存在于泵軸附近，且此時流道內(nèi)流速分布均勻。

圖16 平直管式出水流道速度云圖

受導葉體出口剩余速度環(huán)量以及彎管的結構特征影響，平直管式出水流道在彎管處流態(tài)復雜，易產(chǎn)生旋渦，增加水力損失。參考文獻[19-20]，采用準則法對1.0bep工況時的彎管內(nèi)一個非定常周期內(nèi)的瞬態(tài)流動特性進行分析，的閾值取258 s-2。圖17為不同時刻的彎管段渦結構圖。彎管內(nèi)存在較多渦結構，且渦結構以長條狀為主，分布于彎管進口和泵軸附近，說明剛進入彎管的水體受到導葉體的剩余環(huán)量和泵軸阻礙的影響。在泵軸周圍存在著長條螺旋狀渦結構，渦結構從彎管進口一直繞泵軸向出口發(fā)展，大多分布在泵軸壁面附近。隨著水流朝彎管出口的方向流動，渦結構的數(shù)量明顯減少。

圖17 平直管式出水流道彎管段渦結構圖

4 結 論

1）肘形斜式進水流道內(nèi)部流態(tài)好，在彎肘段，水流受離心力影響，在頂面和底面之間存在明顯的速度梯度。不同流量工況時，進水流道出口斷面的軸向流速均勻度均大于84%，速度加權平均角大于82o。最優(yōu)工況（1.0bep）時軸向流速均勻度和速度加權平均角最大，分別為93%和85.2°。

2）隨著流量增加，葉片輪轂處的低壓區(qū)范圍逐漸減小，高壓區(qū)從葉片進水邊移至葉片出水邊，1.2bep流量工況時，葉片壓力呈規(guī)律性的梯度分布。隨著流量的增大，導葉體出口面速度環(huán)量先減小后增大，在最優(yōu)流量工況（1.0bep）時導葉體出口斷面速度環(huán)量最小，導葉體回收動能效果最好。

3）基于準則，對最優(yōu)流量工況（1.0bep）時平直管出水流道的彎管段內(nèi)的旋渦結構進行可視化分析，渦結構主要分布在彎管進口處和泵軸附近，且渦結構以長條狀為主。

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Numerical Analysis of Internal Flow in a Slanted Axial-flow Pump

HU Wenzhu1, TONG Daobin2, LI Zhongbin1, WANG Rui2, YANG Fan1,3*

(1.College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China;2. Sucheng Water Conservancy Project Construction Service Center, Suqian 223800，China;3.Hydrodynamic Engineering Laboratory of Jiangsu Province, Yangzhou 225009, China)

【】Slanted axial-flow pump has the advantages of small excavation depth, stable flow pattern and high efficiency. It has been widely used in large and medium-sized low head pumping stations. With the improvement in water conveyance and distribution projects and irrigation and drainage in China, the requirement for hydraulic performance of the slanted axial-flow pump has increased. The objective of this paper is to numerically analyze internal flow in the flow channel in the slanted axial-flow pump.【】The 3D numerical analysis was based on CFD for a 30° slanted axial-flow pump, from which we obtained the internal geometry of the flow pathways for different flow conditions. We then analyzed the section velocity nephogram, the axial uniformity of the outlet and the weighted average velocity angle of the elbow inlet channel. We also showed the pressure distribution over the impeller blades and sections of guide vanes, as well as the vortex structure distribution in the straight pipe outlet channel.【】There was a noticeable velocity gradient at the outlet of the elbow inlet channel. Under optimal flow condition, the uniformity of the axial velocity in the outlet section of the inlet channel was 93%, and the velocity weighted average angle was 85.2°. With the increase in flow rate, the high pressure area over the impeller blade shifted from the inlet towards the outlet, and the pressure over the blade was regularly distributed. As the flow rate increased, the velocity circulation in the outlet section in the guide vanes decreased first followed by an increase, while the velocity circulation at the outlet section of the guide vane was the lowest under 1.0bepflow condition. Most vortex bands in the elbow section of the straight pipe outlet channel were long strips, distributed predominately at the inlet of the elbow near the pump shaft.【】The flow pattern inside the slanted axial flow pump was relatively uniform, and the elbow inlet channel can provide a good flow pattern in the impeller. Verification revealed that the model for the slanted axial-flow pump gave results consistent with experimental data.

slanted axial-flow pump; pump installation; internal flow; hydraulic performance; numerical simulation

TV675

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021247

1672 - 3317（2021）11 - 0066 - 07

2021-06-12

國家自然科學基金項目（51609210）；江蘇省高校自然科學研究重大項目（20KJA570001）；江蘇省水利科技項目（2020029）；江蘇省研究生實踐與創(chuàng)新項目（SJCX21_1583）

胡文竹（1996-），女。工程師，主要從事低揚程泵站內(nèi)流特性研究。E-mai: huhu02@126.com

楊帆（1985-），男。副教授，碩士生導師，主要從事低揚程泵裝置內(nèi)流機理及優(yōu)化研究。E-mail: fanyang@yzu.edu.cn

胡文竹, 仝道斌, 李忠斌, 等. 斜式軸流泵裝置內(nèi)流特性數(shù)值分析與驗證[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(11): 66-72.

HU Wenzhu, TONG Daobin, LI Zhongbin, et al. Numerical Analysis of Internal Flow in a Slanted Axial-flow Pump[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 66-72.

責任編輯：趙宇龍