某竖井贯流泵装置流道CFD数值模拟及模型试验研究

张剑雄 张驰 许春羚 陆林广

【摘  要】经过流道CFD数值模拟方案的比较，某泵站工程采用了竖井贯流泵装置。为了验证CFD计算结果和进行工程水泵装置模型试验验收，在高精度的水力模型通用试验台进行了水泵装置模型验收试验。试验结果表明在叶片安放角度为-2°时，该泵装置最高效率为80.93%，较大范围运行工况下空化性能优良，最大飞逸转速为额定转速的2.3倍。

【关键词】竖井贯流;模型试验;数值模拟

1.工程及试验台简介

某泵站工程单机设计流量50m?/s。设计排涝总规模200m?/s，主要由内河侧连接段、泵房、外江侧连接桥、交通桥等建筑物组成。工程为Ⅰ等，大（1）型水利工程。

该试验项目在中水北方勘测设计研究有限责任公司的水力模型通用试验台上开展，进行了能量特性、空化、飞逸、压力脉动、拍门损失、进水流道压差测流等试验内容【1】。

试验台2004年7月20日通过了由水利部组织的技术鉴定，效率综合允许不确定度优于±0.3%，随机不确定度在±0.1%以内，并于2018年完成更新改造，提升了运行稳定性指标检测和分析能力;综合技术指标居国内领先水平，其测量参数均通过国家级计量认证，具有向社会提供公正水力机械检测数据的能力和资质。

2.CFD数值模拟试验

开展泵站进、出水流道数值模拟有助于探求水流在装置内部的流态变化规律并优化进、出水断面流速分布、水流方向，提高装置效率及安全稳定性【2】。经过扬州大学的进水出流道优化设计比选后，确定了水力性能优异泵装置方案，计算的泵装置能量性能见表1，设计工况时的流场如图1。

图中所示流场表明：在進水流道内，水流流动平缓均匀、流线层次分明，以近乎垂直于叶轮室进口断面的方向均匀地进入叶轮室;在出水流道内，水流呈螺旋状在内作边旋转、边扩散的运动，并一直保持这种运动状态到出水流道的出口，期间未发生脱流。

3.装置模型试验

3.1模型试验条件

在上述数值模拟计算成果的基础上进行泵装置模型试验，以检验泵装置的水力性能。泵装置为竖井贯流形式，其叶片角度固定不可调节，机组电机采用变频调节，其装置的特征扬程如表1所示：

转轮设计参数为：模型转轮直径300mm、叶片数3片、导叶数6片、平均叶片外缘间隙0.4mm。

模型试验转速为1250 r/min，模型换算转速为1450r/min，试验水质为普通城市自来水。

试验最小雷诺数为6.91×106，大于规范要求3×106（试验水温大于25℃）。

试验条件满足《水泵模型及装置模型试验验收规程》 SL140—2006的要求。

3.2能量性能试验成果

该泵装置模型进行了从-8度到0度，间隔2°共5个叶片角度，从接近零扬程至零流量，包括小流量不稳定马鞍区的试验，原型综合特性曲线如图2。

4.结语

（1）模型试验结果表明该竖井贯流泵装置在低扬程下具有优异的水力性能，泵装置效率达到80.93%，设计扬程下的临界空化余量小于5.5m，且在设计运行范围内稳定性良好。泵装置模型试验是泵站工程建设和更新改造、进出水流道水力优化设计、泵装置动力性能预测的重要手段与依据。

（2）流道CFD数值模拟与泵装置模型试验相结合互相验证和促进为现代泵站工程研究的典型代表。本项目是对典型低扬程大流量竖井贯流泵CFD计算的实际验证，同时是计算流体力学的需要;也对模型试验内容、方法、精度提出了更高要求。

参考文献：

[1]张弋扬，姜海峰，何成连.南水北调工程水泵模型试验关键技术问题处理[J].水泵技术，2012（3）：4-8.

[2]徐磊，陆林广，陈伟，等.竖井贯流泵装置水力设计方案比较研究[J].水力发电学报，2011（5）：207-215.

（作者单位：1.中水北方勘测设计研究有限责任公司;2.扬州大学）