茭陵一站改造进水流道可行性的CFD研究

郭 瑞成 立王 丽李言亮

（1.江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223005 2.扬州大学水利科学与工程学院 扬州 225009）

茭陵一站改造进水流道可行性的CFD研究

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（1.江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223005 2.扬州大学水利科学与工程学院 扬州 225009）

茭陵一站改造方案保持原进水流道不变，为了保证在新的泵站流量下机组水力稳定性，对进水流道内部流动进行了数值计算。基于定常不可压流体的控制方程和重整化群湍流模型，应用SIMPLEC算法，采用雷诺时均法（RANS）将紊流各种特征变量分解成时均值和脉动值建立时均雷诺方程，再引入紊流粘性系数，建立紊流模型，获得了不同工况下的进水流道内流速场和压力场。研究表明，在各工况下进水流道内流动均为收缩型流动，流道内未见漩涡和回流区；进水流道弯道处未见回流和有害漩涡产生，现有进水流道能够满足泵站安全运行要求。

进水流道 泵站 流态 数值模拟

茭陵一站更新改造工程泵装置改造方案为保持原有的土建工程不变，更换水泵机组、电气设备及所有的辅机设备。泵站兴建于20世纪70年代末，由于当时技术水平与施工水平有限，原有的肘形进水流道是否能够为新的水泵机组提供优良的水力条件，保证机组安全、可靠、高效的运行是改造工程成功与否的关键性问题。近年来，随着计算流体动力学和数值方法的发展，应用CFD（computational fluid dynamics）技术分析泵及泵装置内水流运动已成为趋势。本文基于Fluent商用CFD软件对各工况下原有进水流道流态进行计算分析，根据计算结果判别原有流道的可用性和泵装置改造方案的可行性。

1 工程背景

茭陵一站进水流道为肘形进水流道，流道主要几何参数为：进口净宽B=4.5m，流道总长L=11.64 m，出口直径D=1.68m，其余各部高程详见图1。图中A-A为进水流道出口断面，B-B为叶轮中心断面。C-C断面和D-D断面分别距叶轮中心线1.551D和1.028D。表1为茭陵一站汛期排涝水位、流量资料。

2 水力评判指标

进水流道为叶轮提供均匀的进水条件，其出口断面的流速均匀性将影响水泵性能的发挥。拟采用断面流速分布均匀度Vzu作为叶轮进口断面的水力评判指标。

表1 茭陵一站汛期排涝水位、流量资料

图1 进水流道图

uzi—计算单元轴向流速分量；—计算单元面积矢量；

ρ—水体密度；

n—计算断面单元个数；

mi—计算单元质量，其值为。

3 数值计算方法及边界条件

泵站进水流道内部流动为非定常粘性流动，其流动规律可用Navier-Stokes方程来描述。采用雷诺时均法（RANS）将紊流各种特征变量分解成时均值和脉动值建立时均雷诺方程，再引入紊流粘性系数，建立紊流模型。由于进水流道内流动为强曲率流动，故采用重整化群紊流模型要由于标准k-ε紊流模型。

边界条件设定：进口边界设置在前池处，假设水流已是充分发展的紊流，比较均匀。进口流速场给定，在水深方向设为对数式分布。出口边界取在进水流道出口外3倍流道出口直径延伸处，按照outflow条件给出，为模拟叶轮室前导水锥，在进水流道出口处设置了导水锥。在固体边壁处规定无滑移条件（即u=v=w=0），在近壁区采用上述的壁面函数法。水面设置为对称边界条件。

图2 进水流道计算流态

图3 各断面的流速分布图

4 计算结果

4.1 进水流道内流态分析

图2为计算得到的设计扬程下进水流道流态图。由图2（a）可见，进水流态稳定，水流在流道内为收缩型流动，未见漩涡和回流区。由图2（b）、（c）可知，进水流道弯道实现流速的转向和加速过程，未见脱流区，在肘形流道出口内侧的流速明显偏高，出现低压区。涡量云图（图2（d））表明水流转弯过程中漩涡产生的可能性较小。

图3为计算得到的设计扬程下各断面的流速分布图。由图3（a）可知，进水流道的平直段流速逐步加速，较高流速出现在内侧。经过流道的转弯作用后，这种情况没有得到改善，在流道出口断面达到了最大值见图3（b）。再经过一段直段的整流作用，在叶轮中心断面流速分布得到了改善，趋于均匀分布，但仍有最大流速在外侧的趋势（图3（c））。

4.2 各断面流速均匀度及损失分析

表2 各工况下断面流速均匀度

表2为各断面处流速均匀度数值模拟计算值，计算表明流道出口断面（A-A）均匀度较低，叶轮中心断面流速均匀度达到了90%以上，这与流速分布规律一致。

表3为各工况下的进水流道损失，计算结果表明流道损失与流量的二次方成正比，符合管道损失规律（H=S· Q2），其中计算的S为0.002531 s2/m5。

表3 各工况下进水流道损失

5 结论

（1）通过对各种工况的CFD模拟，获得了各工况下进水流道流速、压力和涡量场。

（2）CFD计算表明，进水流道内不同工况流态相似，均表现为收缩型管道流动，流道内未见漩涡和回流区；进水流道口圆弧处未见回流和有害漩涡产生。

（3）该进水流道出口处流速均匀性较好，能为改造后水泵叶轮提供良好的水力条件，茭陵泵站改造泵装置改造方案是可行的。相关成果已应用于工程改造方案论证中■