基于FLUENT的泵站进水管路水力特性研究

高余鑫，高传昌，孙龙月

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.江苏大学，江苏 镇江 212013)

0 引言

泵站进水管路是将进水池中的水流平顺地引向水泵进口，进水管路布设不合理，不仅会产生不良的水流流态，而且会造成较大的能量损失，影响水泵的正常、安全工作，严重时甚至引起水泵汽蚀，机组振动而无法工作。正确设计和布置泵站进水管路是保证进水管路中水流平稳和水泵进水流态良好的重要工作之一。

针对泵站的水力特性，国内外学者进行了大量的研究，其中：史志鹏结合泵站设计规范，进行了以节能为目标的泵站进水池体形优化设计研究，通过数值模拟方法确定泵站进水池的有效尺寸。郁片红针对张华浜泵站流道存在回流、漩涡等不良流态的问题，采用CFD软件分析了前池水流流态提出优化泵站进水流道整流方案。车晓红基于CFX软件对进、出水流道内水流流态进行数值模拟研究，提出了所选泵站流道的最优设计方案。赵智磊通过对泵站进水河道中心线和泵站进水池中心轴线的不同夹角方案进行数值模拟，得到整体河道流态和压力前池流态最优的设计方案。谢华通过流道水力损失、出口断面的流速均匀度和加权平均角等参数的比选，得到肘形进水流道最优的设计方案。仇春光结合实际工程研究了吸水管后壁距对改善进水池流态、减小水头损失的效果，研究结果表明：缩小后壁距能改善进水池的水流条件。王梅仙等通过研究发现泵站进出水池体形的优化设计关系到泵站装置效率的提高。陆林广等采用数值模拟方法，对大型泵站不同形式进、出水流道水力性能进行对比研究，得到流道的优化水力设计的相关准则。由此可见，国内外学者主要对泵站进出水池、进出水流道的水流流态、整流措施和体形水力优化设计等方面进行了研究，但对于泵站进水管路的水力特性研究甚少。因此，根据黄河下游某一提水灌溉泵站进水管路布置不合理进行技术改造和优化，选取优化前后两种进水管路装置进行水力特性的数值计算。

1 数值计算

1.1 模型参数及几何建模

选择黄河下游某一提水灌溉泵站的进水管路，用Pointwise软件进行原型实体建模。由于进水管路布置的不合理，尤其当泵站机组单泵运行时，进水管路中的流态恶化程度最明显，所以文章选择优化前、后进水管路单泵机组运行工况进行数值计算。计算区域示意图见图1。

图1 计算区域示意图

1.2 网格划分及边界条件设置

为了避免计算结果失真，文章借助Pointwise软件对原型进行网格剖分。网格全部为六面体的结构网格，同时还对流动影响较大近壁处网格进行了局部加密。为了使网格数目对计算结果不产生影响，进行了网格数目的无关性分析，得到最终网格数目为946万。

计算采用定常的Standardk-ε模型，算法采用SIMPLEC算法，进口设置为速度进口条件，出口设置为压力出口条件，计算区域的固壁均设置为壁面边界条件，由于前池和进水池的水面很平稳，故也将自由水面设置为壁面边界条件，壁面均采取适应性更强的可伸缩壁面函数处理，壁面不可滑动。

1.3 计算方案

计算选取3种不同水泵流量(最大：0.97 m3/s；设计：0.88 m3/s；最小：0.83 m3/s)，对优化前后的进水管路3个断面A-A～C-C(如图3所示)的流场分布、进水管出口(水泵进口)断面(C-C)的速度分布均匀度、进水管路的水力损失和涡量分布及涡量值进行数值计算。选取断面示意图如图2所示。

图2 网格剖分结果图

2 计算结果与分析

2.1 截面流场分析

运用Tecplot软件，分别就3种水泵流量下的进水管路不同断面流场分布数值模拟结果进行处理，得到图3～5三个断面(A-A～C-C)优化前后的速度云图和流线图。

图3 流量0.97 m3/s流场流速云图和流线图

图4 流量0.88 m3/s流场流速云图和流线图

图5 流量0.83 m3/s流场流速云图和流线图

如上图所示，图中(a)～(c)为进水管路优化前断面的流速云图和流线图；图(d)～(f)为进水管路优化后断面的流速云图和流线图。

由流场断面的流速云图和流线图可以得出：在不同的水泵流量下，优化前进水管路断面的平均流速范围为4.94～2.94 m/s，超出了泵站设计规范的要求；优化后进水管路断面平均流速范围为1.93～1.65 m/s，优化效果明显并且优化后断面平均流速满足规范要求。优化前后A-A断面的流线分布趋势基本相同，断面流速范围随着流量的降低而降低。优化前B-B截面不产生漩涡；优化后该截面在左右边壁处出现漩涡，分析其原因可能是水流流态发展不充分的原因，并且漩涡强度基本不随流量的变化而改变，漩涡数量和漩涡强度与水泵流量的关系不大。优化前C-C断面，漩涡数量为4，漩涡强度随着水泵流量的变化而变化，数量保持不变，流量为0.88 m3/s时，漩涡强度最小但漩涡最大，流速最大区域位于中轴附近区域；优化后E-E断面漩涡消失，流速最大区域位于左右侧下部边壁处。

2.2 进水管路出口流速分布均匀度分析

为了将进水管路优化前后对水流流态的改善程度定量地表达出来，文章选择进水管路出口(水泵进口)的流速均匀度作为水力目标函数。流速分布均匀度Vu越高表明出口截面流速分布均匀性越好，Vu=100%为理想值。流速均匀度Vu的计算，如公式1所示。

(1)

不同流量下，进水管路优化前后出口的流速分布均匀度，如图6所示。

图6 进水管路出口流速分布均匀度图

由图6可以看出：不同流量下，优化前管路出口的流速均匀度分别为88.06%、87.79%、88.19%；优化后管路出口的流速均匀度分别为92.80%、92.23%、92.36%；优化后出口截面的流速均匀度分别提升了4.74%、4.44%、4.17%，提升效果明显，出口截面水流流态更良好。

2.3 进水管路水力损失分析

管路进出口水力损失越小，表明管路内水流流态更好。管路水力损失Hf由管路进出口的位置水头、压力水头和流速水头的差值计算而来。其计算公式，如公式2所示。

(2)

不同流量下，进水管路优化前后的水力损失，见图7。不同流量下，优化前进水管路水力损失分别为0.21 m、0.23 m、0.28 m；优化后进水管路水力损失分别为0.04 m、0.05 m、0.06 m；优化后使得进水管路水力损失分别降低了79.00%、78.40%、79.60%，进水管路水力损失显著降低。

图7 进水管路水力损失图

2.4 进水管路涡量分析

为了能够定量地将漩涡强度表达出来，引入物理量涡量Q，Q被定义为流体运动速度的旋度，流场中涡旋处涡量的绝对值最大，正负与其旋向有关，顺时针转动时涡量为负值，逆时针转动时涡量为正值。涡量的计算公式见式(3)。

(3)

式中：u、v、w分别为x、y、z方向的速度。

进水管路涡量分布

运用CFD-Post软件对数值模拟数据进行处理，得到进水管路涡量分布图，如图8所示。

图8 进水管路涡量分布图

如上图所示，(a)～(c)为优化前进水管路涡量分布图，(d)～(f)为优化前进水管路涡量分布图。在不同流量下，优化前管路大部分的区域的涡量值在-3 000 s-2～3 000 s-2范围内，涡量最大区域位于偏心渐缩管和偏心渐扩管截面附近；优化后管路大部分的区域的涡量值在-1 500 s-2～1 500 s-2范围内，涡量最大区域位于偏心渐扩管截面附近；优化后进水管路涡量值显著降低。

进水管路最大涡量值

通过对数值计算数据的处理，得到进水管路的逆时针转动和顺时针转动的最大涡量，如图9所示。

图9 进水管路最大涡量图

由图9可知：在不同流量下，优化前最大涡量随流量的增大基本呈线性上升，优化后最大涡量随流量增大而增加的幅度有所减弱，这说明进水管路优化后能更好地适应水流的要求。优化后，无论逆时针转动还是顺时针转动，最大涡量降低幅度很大，优化效果明显，进水管路水流流态更加良好。

3 结语

文章对某灌溉泵站优化前后的进水管路水力特性进行了数值模拟，得到了在不同流量下，进水管路优化后的平均流速在1.65～1.93 m/s；进水管路水力损失分别降低了79.00%、78.40%、79.60%；进水管路的逆时针转动和顺时针转动的最大涡量值显著降低，涡量分布范围更小，分布更加均匀；进水管路出口(水泵进口)截面上流速分布均匀度分别提高了4.74%、4.44%、4.17%。优化后的进水管路水流流态平稳，进水管路出口流速分布均匀，进水管路平均流速满足泵站规范要求。

通过去年12月对前期改造机组的试运行，通过机组运行得到实测数据，在输水流量不变的情况下，每台机组有功功率平均降低35 kW/h，达到了预期目标，经济效益显著，投入产出比明显。