喇叭管悬空高度对井筒式泵站运行性能影响研究

顾双 殷宪柱 刘刚 许生

摘要：为了探究喇叭管悬空高度对井筒式泵站运行性能以及泥沙沉积的影响，采用CFX对井筒式泵站内流动特性进行了CFD数值模拟。模拟过程中，将井筒式泵站内计算流体视为固液两相流，设计了0.3D，0.7D，1.1D和1.5D 4个不同的喇叭管悬空高度方案。计算结果表明：方案1～4中泵装置运行最高效率分别为76.4%、79.3%、78.5%和78.8%，方案2中泵装置的运行效率以及最高高效区范围最大;方案1中存在大尺度漩涡，方案3和方案4中存在泥沙沉积现象，因此认为最优方案为方案2，该方案的优点是没有泥沙沉积、漩涡尺度小，并且流场结构稳定、总水力损失最小。通过分析喇叭管悬空高度对井筒式泵站运行性能和泥沙沉积情况的影响，说明只有合适的喇叭管悬空高度，才能够保证井筒式泵站的安全稳定运行。研究成果可为工程中井筒式泵站设计提供一定的参考。

关 键 词：

喇叭管悬空高度; 井筒式泵站; CFD; 泥沙淤积; 流场特性; 漩涡尺度

中图法分类号： TV732

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.032

0 引 言

随着我国城镇规模的不断扩大，产生了越来越多的城市污水。在城市市政工程中，预制泵站得到了不断发展和应用，井筒式泵站则是一种常见的预制泵站[1]。一体化泵站采用的进水形式是井筒式的进水形式，但这种进水形式泵站中的水流在从进水管进入到井内的过程中，往往会比较紊乱，容易形成漩涡[2];城市污水中含有各种泥沙、杂草以及生活垃圾。由于井筒式泵站属于小型泵站，在实际工程中发现泵站长时间运行后，在井筒底部会出现泥沙和杂物沉积的问题，既影响泵站的安全运行，又会因泵站内沉积生活垃圾产生的腐臭味而影响检修，因此井筒式泵站的安全运行和自清洁问题一直以来是井筒式泵站面临的亟需解决的问题。

查智力等[3-4]针对井筒式泵站内水泵数量、吸水管直径对泵装置运行性能的影响进行了CFD数值模拟计算，得出了井筒式泵站内水泵数量以及吸水管直径对泵装置性能有很大影响的结论。王东进[5]对预制泵站与传统混凝土泵站的区别进行了对比分析和介绍。王卓颖等[6]对预制泵站进行了优化研究。胡凯[7]通过计算得到了预制泵站优化后的有效容积。李文全等[8]对井筒式轴流泵站出水弯管流动特性进行了数值研究，从而获得了进水口流量的改变对出水管道水力特性的影响规律。王默[9]采用CFD数值模拟方法，研究了不同水泵安装位置、底部形式和导水锥几何尺寸对其水力性能的影响。

目前，针对一体化泵站的研究更多的是集中在结构改进和推广应用方面，而关于一体化泵站性能优化方面的研究却很少。尤其是应当重点研究有关喇叭管的悬空高度对井筒式泵站内泥沙沉积和泵装置运行性能的影响，因为在其他立式泵站中，喇叭管的悬空高度对于水泵的安全运行而言是一个重要的几何参数，但是关于井筒式泵站内喇叭管悬空高度对于井筒式泵站运行性能及泥沙沉积方面的影响研究目前尚未见到。因此，本文采用CFD数值模拟的方法来研究喇叭管悬空高度对井筒式泵站性能的影响，研究成果将有助于解决井筒式泵站内的自清洁问题以及安装设计问题。

1 计算模型和方法

1.1 控制方程

对井筒式泵站进行三维全工况数值计算。流体力学的三大基本定律是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律[10]。通常情况下，泵装置内的流体可以视其为不可压缩流体，在整体流动的过程中未考虑热量传递，故可忽略能量守恒定律。流体流动的控制方程组精确地描述了流体的各物理量在空间的分布和随时间的演化，对于不可压缩流体，主要是满足质量守恒和动量守恒。

质量守恒方程：

ρt+（ρui）xi=0（1）

動量方程：

（ρui）t+（ρuiuj）xj=-pxi+μ2uixixj（2）

式中：ρ为流体密度，kg/m3;ui、uj分别为流体在i、j方向上的速度分量，m/s;p为时均压力，kPa;μ为流体的运动黏性系数，m2/s;xi、xj为空间坐标分量，m。

1.2 几何模型的建立

采用UG 9.0对计算模型进行三维几何建模，几何模型部件包括井筒筒体、喇叭管、叶轮、导叶和出水管。基准中心选取叶轮中心为原点，沿进水管进水方向为X方向、与筒体底部平行且垂直进水管方向为Y方向、垂直筒体底部向上为Z方向，如图1所示。图1中，叶轮直径D为120 mm，叶顶间隙为0.1 mm，轮毂直径为48 mm、叶片数为4、叶片安放角为0°。喇叭管采用1/4椭圆，长轴和短轴分别为D和0.6D，喇叭管进口直径为1.6D。井筒筒体直径为10.0D，出水管直径为D。为了探究喇叭管悬空高度对井筒式泵站运行性能的影响，分别设置了4个方案的喇叭管悬空高度，分别为0.3D、0.7D、1.1D和1.5D。

1.3 网格划分及无关性验证

采用软件Workbench中Mesh功能，对井筒泵站筒体、喇叭管和出水管进行几何模型网格剖分;采用Turbogrid对叶轮和导叶进行网格剖分，如图2所示。由于黏性的存在，流体边界层分为黏性底层、过渡层，湍流层，对于高雷诺数的湍流层y+值取值为30～300[11]。根据大量类似计算实例，应将y+值控制在150以内，因此，本文计算模型的边界层网格y+值整体控制在100左右。

在数值模拟中，网格数量和网格质量决定了计算结果精度的可靠性。理论上，随着网格密度增大，计算结果的离散误差减小，计算结果越准确[12-13]。但是网格密度的增加会加计算工作量，从而造成网格资源的浪费;另外，计算机浮点运算造成的舍入误差也会随之增大。为此，对计算模型进行了网格无关性分析，在此基础上选取合适的网格数量，接着采用设计工况效率来评判网格的无关性，如图3所示。当网格数量超过420万时，设计工况下的井筒式泵站效率无明显变化，相对误差控制在±1%以内，显然，此时的网格数量可满足计算要求，因此本文总网格数量采用420万进行计算。

1.4 计算参数及边界条件设置

井筒式泵站主要用于污水工程中，泥沙杂质多，本文采用自定义泥沙和水体混合液体模拟工程中的污水，泥沙采用粗砂，密度ρs为1 650 kg/m3，液相为常温下的清水，密度ρw为997 kg/m3，混合后的密度为

ρ=1-VsV·ρs+VwV·ρw（3）

式中：Vs、Vw和V分别为固体体积、液体体积和混合体积，m3。

边界条件对流场特性及漩涡流动的数值计算精度、数值计算效率和数值计算稳定性都具有明显的影响[13-14]。选择适宜的边界条件处理方法，对精确模拟各类复杂流态和漩涡的特性意义重大。

将进水管进口设为计算模型液相进口，液相进口采用总压（Total pressure）进口条件，压力为1个大气压（Total pressure=1atm）。将出水管出口设置为计算模型出口，出口采用质量流量（mass flow rate）出口条件，根据设计方案选择计算流量。在三维建模时，计算模型分为多个部分，不同部件之间需要设置交界面。除喇叭管出口和叶轮进口、叶轮出口和导叶进口之间的动静交界面设置为Stage，将其余静止部件之间的交界面连接类型设置为None。计算模型壁面条件采用光滑无滑移壁面条件，包括筒体壁面、喇叭管壁面、叶轮叶片壁面、叶轮室壁面、导叶叶片壁面、导叶室壁面、出水管壁面。叶轮头导水锥壁面采用旋转壁面（Rotating Wall），壁面转速等于叶轮转速。对计算模型进行初始化设置，为保证计算流体为固液混合体，将水体初始体积分数取为0.8，将固体初始体积分数取为0.2。

2 计算结果分析

2.1 不同方案的能量性能及流场稳定性分析

对不同方案进行全流量工况计算，得到了泵装置全流量工况性能曲线，如图4所示。由图4可知：方案1、方案2、方案3和方案4的泵装置运行的最高效率点分别为76.4%、79.3%、、78.5%和78.8%，并且方案2的泵装置运行的高效区范围最大。这说明喇叭管的悬空高度为0.7D时，泵装置的运行效率最高。当喇叭管悬空高度为0.3D时，因喇叭管悬空高度过小而使得泵装置运行效率减小;当喇叭管悬空高度为1.1D和1.5D时，喇叭管悬空高度因过大而同样会使得泵装置运行效率减小。

为进一步分析井筒式泵站进口的流动稳定性，截取进水管中心高度的X-Y断面进行流场分析，主要是分析不同方案下X方向的速度Vx的分布及其流线情况，如图5所示。

方案1～4中，井筒式泵站喇叭管悬空高度依次增大。从图5可以看出：当悬空高度为0.3D时，水流从进水管进入到井筒泵站，筒体内出现了偏流，沿叶轮旋转方向偏向筒体左侧，水流高速冲击到筒体左侧壁，使得筒体右侧流场存在大尺度回流漩涡，从而造成了进水流场结构的不稳定，这是由于喇叭管悬空高过低，水泵吸力过大。当喇叭管悬空高度为0.7D时，水流从进水管能够分左右两股水流平稳地进入泵站筒体内，水流高速进入筒体内，并且高速水流的范围几乎充满整个断面，这是由于喇叭管悬空高度较低，水泵喇叭管进口的吸引力非常大，受叶轮旋转作用，筒体左侧的高速流场大于右侧流场使得筒体右侧存在很小的小尺度漩涡。当喇叭管悬空高度继续增大为1.1D时，由于喇叭管悬空高度增加，水泵喇叭管口吸力减小，从进水管口进入筒体内的速度大幅减小，当喇叭管悬空高度达到1.5D时，由于喇叭管口与筒体底部之间纵截面过流面积增大，水泵吸力减小使得从进水管口进入筒体内的流速进一步减小，在筒体左右两侧均存在漩涡，左侧漩涡尺度相对于方案3减小，但是右侧漩涡尺度相对于方案3增大非常明显。说明喇叭管悬空高度过大不利于进水流场的稳定分布，易诱发回流和产生漩涡，喇叭管悬空高度对井筒式泵站进水流场结构的稳定性有很大影响。

2.2 不同方案下的漩涡特性分析

由于流场分布的不均匀使得在立式泵站喇叭管下方会有附底漩涡存在的可能性，因此，对不同方案的流场采用Q准则三维漩涡进行了可视化处理，从而得到了不同喇叭管懸空高度方案下井筒式泵站内可能存在的漩涡，如图6所示。当喇叭管悬空高度为0.3D时，在喇叭管口下方存在着很强的附底漩涡。根据相关立式轴流泵喇叭管下方漩涡的有关文献可以知道，喇叭管悬空高度越小，漩涡持续时间越长。当喇叭管悬空高度为0.7D时，在喇叭管下方存在尺度很小的附底漩涡，当喇叭管悬度空高度增加到1.1D和1.5D时，在喇叭管下方均未发生附底漩涡。这说明喇叭管的悬空高度增加后，可以有效避免喇叭管下方附底漩涡的发生。

通过对井筒式泵站内漩涡进行可视化处理，得到了不同喇叭管悬空高度下井筒式泵站喇叭管下方存在漩涡发生的可能性。为了能够定量分析喇叭管下方漩涡强度的特性，采用涡量进行评判。涡量是描写旋涡运动的重要物理量之一[15-16]，定义为流体速度矢量的旋度，漩涡通常用涡量来量度其强度和方向，涡量对水头损失影响较大。对喇叭管进口的流场分布和涡量分布状况进行了分析，图7所示为不同方案下的喇叭管进口流线分布和涡量分布的状况。

从喇叭管进口的涡量分布和流线分布可以看出：在方案1和方案2中，由于喇叭管悬空高度过低，其周围水流从喇叭管四周汇聚流入到喇叭管内，过低的喇叭管悬空高度增加了喇叭管下方流场的混掺，叶轮的旋转作用加强了喇叭管下方流场的剪切运动，诱发附底漩涡产生，喇叭管下方的紊流强度大。方案3和方案4中的喇叭管进口涡量分布和流线分布在当喇叭管悬空高度增大后，喇叭管口与筒体底部之间纵截面面积增大，因此横向汇集速度减小，周围水流在喇叭管口汇聚，但是没有明显的混掺，水流紊流强度不大。工程中观察到，喇叭管下方水流紊流强度越大泥沙越容易被搅拌排除，横向流速越小，水流越稳定，泥沙越容易沉积。

2.3 泥沙沉积含量分析

对不同方案下的井筒式泵站内的泥沙分布情况进行了分析，采用流体体积分数法显示泵站内的泥沙分布，固体体积分数的分布代表了井筒式泵站底部的泥沙淤积情况，如图8所示。在方案1中，井筒底部未见泥沙沉积。在方案2中，在喇叭管附近存在着固体体积分数为0.7的固液混合体，说明在方案2下尚未形成泥沙沉积的问题。在方案3中，当喇叭管悬空高度增加到1.1D时，在井筒底部存在着固体体积分数为1.0的泥沙分布，说明在井筒底部形成了泥沙沉积;当喇叭管悬空高度增加到1.5D时，井筒底部的泥沙沉积明显增加。方案1～4中的泥沙分布特性说明：喇叭管悬空高度越大，泥沙越容易沉积。

由图7和图8可知：喇叭管悬空高度减小后，行进速度会增大，有利于泥沙的混掺，泥沙被充分搅动，随主流被水泵抽吸排除;当喇叭管悬空高度过大时，喇叭管与筒体底部之间的行进空间过大，使得水流的行进流速过小，泥沙难以被充分搅动与主流混掺，流速过小时，加上水泵的抽吸作用减小使得泥沙产生沉积;同时水中的杂草进入泥沙中，导致淤积情况更加严重。

对喇叭管下方附底漩涡发生的情况进行分析可以发现：虽然减小喇叭管悬空高度可以减小泥沙沉积，但是喇叭管的悬空高度过低会导致喇叭管下方产生附底漩涡。通过众多工程案例和相关资料可知：附底漩涡对机组的安全运行会有很大的危害，将导致机组产生严重的振动和叶轮内汽蚀，所以在井筒式泵站内要做到既能够有效减少泥沙沉积，又能够保证泵装置喇叭管下方不会产生附底漩涡。因此，需要选择合适的喇叭管悬空高。

2.4 流动内特性分析

通过对井筒式泵站内流动外特性分析可知：井筒式泵站内存在漩涡和泥沙沉积的现象，而不同喇叭管悬空高度影响井筒式泵站内漩涡和泥沙情况。这些漩涡和泥沙必然对泵装置的性能产生影响。因此，有必要对不同方案下的井筒泵站内的内流场特性进行分析。

为了进一步分析喇叭管悬空高度对井筒式泵站叶轮进口速度分布均匀性的影响，对叶轮进口断面速度场进行了均匀性分析。分析过程中，流速均匀度采用单元面积为权重进行加权计算，以断面流量为基础的面积加权流速均匀度更合理[17]，所以本文采用面积加权流速分布均匀度来评判叶轮进口流速分布情况。面积加权流速均匀度Vuna计算公式如下：

Vuna=1-1vani=1νai-va2ΔAiA（4）

式中：ΔAi为叶轮进口断面第i单元的面积，m2;

va为叶轮进口断面的平均轴向速度，m/s;

vai为叶轮进口断面第i单元的轴向速度m/s;

Q为进口流量，m3/s;

A为叶轮进口面积，m2;

va=Q/A。

图9为采用公式（4）获得的设计工况下不同方案的叶轮进口断面流速均匀度分布状况。由图9可以看出：设计工况下，方案1～4的叶轮进口流速均匀度分别为88.2%、92.3%、90.50%和89.60%，可以看到在不同喇叭管悬空高度下，叶轮进口流速的均匀度分布差异很大。

（1） 方案1中，喇叭管悬空高度最低，叶轮进口前水流混掺强烈，紊流强度大和漩涡的存在使得叶轮进口流场分布差，因此，叶轮进口的流速均匀度最差。

（2） 方案2中，叶轮进口流速均匀度分布最优，方案中喇叭管悬空高度合适，水流能够平顺地从喇叭管四周汇入喇叭管内，因此，叶轮进口处流速均匀度高。

（3） 方案3中，流速均勻度介于方案1和方案2之间，这是由于方案3中的井筒底部存在着泥沙沉积的问题，影响到了进入喇叭管内的流态。

（4） 在方案4中，叶轮进口流速均匀度低于方案3，这是由于方案四中的喇叭管悬空高度增加了，泥沙沉积更加严重，对叶轮进口的流态影响更强。

通过对不同方案下的叶轮进口流速的均匀度进行分析，可以得到喇叭管悬空高度对叶轮进口流速均匀度影响很大。

根据对不同方案下泵装置外特性的分析，可以得到井筒式泵站内喇叭管悬空高度对机组性能的影响。轴流泵装置扬程低的特点导致井筒内的水头损失和出水管的损失占装置扬程很大的比重，对水泵装置运行效率产生明显影响。以泵装置水力损失作为评判指标，更进一步地探究不同喇叭管悬空高对泵装置的影响。水力损失计算公式如下[18]：

Δh=Pin-Poutρg（5）

式中：Δh为水力损失，m;Pin为进口处总压，kPa;Pout为出口总压，kPa;ρ为水的密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2。

根据公式（5）获得了不同方案设计工况下的总水力损失，如图10所示。由图10可以看出：方案1～4的总水力损失分别为0.31，0.16，0.23 m和0.26 m;方案1中泵装置的总水力损失最大，方案2的总水力损失最小。

通过对不同方案的能量性能、流场特性、漩涡特性以及泥沙含量进行分析，最终确定方案2为最优方案;漩涡和泥沙淤积都会对泵装置的安全运行产生危害，由于泥沙淤积是持续存在，并且泥沙淤积后喇叭管口与筒体底部之间的距离减小，过流面积减小同样造成漩涡的产生;而在方案2中泥沙难以淤积，同时漩涡具有不稳定性，不是持续发生，并且泥沙沉积的危害大于漩涡的危害，因此，最优方案为方案2。分析结果表明，只有合适的喇叭管悬空高度才能够保证井筒式泵站的安全稳定运行。

3 结 论

针对井筒式泵站内泥沙沉积导致的自清洁问题，采用软件CFX对井筒式泵站内的流动特性进行了数值模拟;通过自定义流体介质为固液两相流，分析了井筒式泵站内的流量工况、喇叭管悬空高度对泥沙沉积的影响及其对泵装置性能的影响。得出如下结论。

（1） 方案1～4的泵装置运行的最高效率分别为76.4%、79.3%、、78.5%和78.8%，并且方案2的泵装置运行的高效区范围最大。方案1～4的总水力损失分别为0.31，0.16，0.23 m和0.26 m。叶轮进口流速均匀度分别为88.2%、92.3%、84.6%和88.6%。

（2） 在方案1和方案2中，由于喇叭管悬空高度过低，周围水流从喇叭管四周汇聚进入喇叭管内，过低的喇叭管悬空高度增加了喇叭管下方流场的混掺，叶轮的旋转作用加强了喇叭管下方流场的剪切运动，从而诱发了附底漩涡产生并使得喇叭管下方的紊流强度大。在方案3和方案4中未见漩涡现象的发生，表明喇叭管悬空高度增大后可以避免漩涡的发生。

（3） 在方案1和方案2中，井筒底部未见明显泥沙沉积;在方案3和方案4中井筒底部存在泥沙沉积，而且喇叭管悬空高度越大，泥沙越容易沉积。喇叭管越小，喇叭管口下方流场的混掺强度越大，有利于泥沙被及时排除。

（4） 漩渦和泥沙淤积都会对泵装置的安全运行产生危害。由于泥沙淤积是持续存在，漩涡具有不稳定性不是持续发生，并且泥沙沉积的危害大于漩涡的危害，因此最优方案为方案2，这也表明，只有合适的喇叭管悬空高度，才能够保证井筒式泵站的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 周佳.一体化污水提升泵站的应用探讨[J].山西建筑，2014，41（10）：130-131.

[2] LEVEY TOM，JEFFUS，STEPHEN.Prefabricated pumping systems：Sizing up the possibilities[J].Water Engineering and Management，2003，150（2）：23-25.

[3] 查智力，刘超，严天序，等.井筒式泵装置双泵模型进水特性[J].流体机械，2019，47（5）：44-49.

[4] 查智力，刘超，严天序，等.井筒式泵装置水力特性数值模拟[J].南水北调与水利科技，2018，16（2）：189-195.

[5] 王东进.一体化预制泵站设计开发研究及应用[J].通用机械，2014（7）：77-79

[6] 王卓颖，吴恩赐，郭德若，等.预制泵站在中小型泵站应用中的优化研究[J].中国给水排水，2010，26（22）：127.

[7] 胡凯.一体化预制泵站的自清洁[J].通用机械，2019（11）：15-17.

[8] 李文全，王凯，陈昆，等.不同运行方式对一体化预制泵站流动特性和筒体强度的影响[J].中国农村水利水电，2019（4）：162-167，171.

[9] 王默.一体化泵站水力性能CFD研究[D].扬州：扬州大学，2016.

[10] 张自超，王福军，陈鑫，等.基于改进欧拉算法的双吸离心泵泥沙磨损特性研究[J].农业机械学报，2017，48（3）：124-133，147.

[11] 张自超，陈鑫，王福军，等.考虑颗粒动态尺度影响的泥沙扩散系数模型建立及应用[J].农业工程学报，2016，32（22）：129-137.

[12] 许巧哲，崔硕垚.山区小城镇污水集中处理设计[J].给水排水，2016，52（增1）：160-162.

[13] SONG X J，LIU C.Experimental investigation of floor-attached vortex effects on the pressure pulsation at the bottom of the axial flow pump sump[J].Renewable Energy，2019，145（2020）：2327-2336.

[14] 李嘉兴，王福军，陈鑫.基于双流体模型的尊村泵站双吸离心泵泥沙磨损[J].科学通报，2019，64（36）：3856-3866.

[15] 宋希杰，刘超，罗灿，等.轴流泵装置进水漩涡对压力脉动的影响[J].农业机械学报，2018，49（2）：113-119.

[16] 宋希杰，刘超，杨帆，等.进水漩涡诱发轴流泵压力脉动的试验研究[J].振动与冲击，2018，37（17）：25-31.

[17] 宋希杰，刘超，杨帆，等.水泵进水池底部压力脉动特性试验[J].农业机械学报，2017，48（11）：196-203.

[18] 程炀，孙众，张慧，等.叶片角度对采用肘形流道的轴流泵装置特性的影响[J].流体机械，2019，47（6）：29-33.

（编辑：赵秋云）

Study on influence of suspended height of trumpet tube on operation

performance of shaft pumping station

GU Shuang1，YIN Xianzhu2，LIU Gang1，XU Sheng2

（1.Jiangsu Luoyun Water Conservancy Project Management Office，Suqian 223800，China; 2.Suqian Water Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd，Suqian 223800，China）

Abstract：

In order to explore the influence of the suspended height of the trumpet tube on the operation performance and sediment deposition of the shaft pumping station，this paper uses CFX to simulate flow characteristics in the shaft pumping station.The solid-liquid two-phase flow is adopted for the calculation fluid in the shaft pumping station.Four schemes of 0.3D，0.7D，1.1D and 1.5D of different suspended height of the trumpet tube are designed.The calculation results show that the maximum efficiency of scheme 1 to scheme 4 is 76.4%，79.3%，78.5% and 78.8% respectively，and scheme 2 has the highest operation efficiency of and the widest efficiency range.There are large-scale vortices in scheme 1，and sediment deposition in schemes 3 and 4.The optimal scheme is scheme 2，and it is characterized as no sediment deposition，small vortex scale，stable flow field structure and minimum total hydraulic loss.By analyzing influence of the suspended height of trumpet tube on the operation performance and sediment deposition of the shaft pumping station，it is found that only the appropriate suspended height of the trumpet tube can ensure the safe and stable operation of the shaft pumping station.The research results can provide some reference for the design of the shaft pumping station in the project.

Key words：

suspended height of the trumpet tube;shaft pumping station;CFD;sediment deposition;flow field characteristics;vortex scale