竖井贯流泵装置流道水力性能分析

杨雪林,黄 毅,陈国标

(上海勘测设计研究院,上海 200434)

1 问题的提出

我国的地表水和浅层地下水资源总量丰富,但人均占有量相对较少,且时空分布不均匀。为了充分利用水资源,更好地为国民经济发展服务,我国兴建了大批机电排灌泵站工程。在经济较发达的华东、华南地区,地势平坦,区域内河网水系发达,建设有大量的低扬程排灌泵站。由于竖井贯流泵装置具有结构简单,安装及运行维护方便,通风、防潮条件良好,工程投资较少的优点,能够适应平原地区排灌工程发展的需要。近年来,该泵型在平原地区的应用越来越广泛。

国内低扬程泵站装置效率一般不高,一是缺少设计扬程低、气蚀性能好的模型泵;二是泵装置流道内流速均匀度不高,泵段入流的偏流角度过大,因此进、出水流道的水力损失相对较大[1]。本文以某大型竖井贯流泵站为例,进行水泵装置流道的三维数值模拟分析,并对进、出水流道型线进行优化设计,以获得水力性能较好的型线方案。泵站设计净扬程0.9 m,最低净扬程0.0 m,最大净扬程2.2 m,装设转轮直径3.0 m,转速95 rpm,单泵设计流量25 m3/s的竖井贯流泵组。

2 数值模拟计算

对流道型线的优化设计采用近年来发展迅速的CFD技术及目前工程上广泛应用的Fluent软件对泵站的进、出水流道进行全三维流场分析,了解流道内流速及流态分布规律,对型线进行优化设计后再行计算,最终得到较为合理的进、出水流道型线[2]。数模计算可解决水泵模型试验中流道型线不便修正的难题,在很大程度上减少试验工作量、缩短研究周期,提高研究水平。

本文数值模拟计算采用应用最广的标准模型;进、出水边界条件分别为速度、自由出流;计算区域的离散采用非结构化四面体网格,不规则结构物表面采用三角形网格;离散过程中,采用二阶迎风差分格式;计算采用SIMPLEC算法,数模计算实践证明,该算法的收敛速度和计算精度均良好。

3 流道型线优化设计

数值模拟针对某泵装置进水及出水流道进行。优化设计的目标是为水泵提供良好的进水条件,同时尽量减少流道的水力损失;出水流道优化的主要目标则是降低水力损失。

图1 泵站进水流道初始型线图

图2 泵站进水流道优化后型线图

3.1 泵站进水流道型线优化

进水流道设计采用流速控制流道断面面积的设计方法[3],即保证平均流速沿程均匀变化,断面面积沿程的变化连续均匀,流道型线光滑,矩形断面圆角采用最优圆角设计法。由图1可以看出,进水流道的收缩段与水泵入口锥管的连接不够平滑,连接处附近出现了脱流区(见图3),造成了较大的水力损失。为避免脱流对流道内流态分布造成的不利影响,保持初始型线各控制尺寸不变,仅将收缩段与出口锥管部分进行顺滑过渡连接。经数学模型计算可知,优化后的型线方案流道内基本消除了脱流现象,流速分布的均匀度也得到了明显的提高(见图4)。

图3 初始方案泵站进水流道水平断面速度分布图单位:m/s

图4 优化后泵站进水流道水平断面速度分布图单位:m/s

数模计算的结果表明,初始方案轴向流速的均匀度为96.2%,经优化后提高为98.5%;初始方案的进水流道水力损失为0.107 m,经优化后降至0.078 m;进水流道出口偏流角由4.36°减小至3.24°。因此,经过优化后的进水流道水泵入流条件更好,水力损失更小,其水力性能有了明显的提高。

3.2 泵站出水流道型线优化

泵站出水流道的设计也采用流速控制流道断面面积的方法[3]。图5为泵站出水流道的初始型线,通过圆弧与工作门槽平滑连接。经计算,出口流道当量扩散角约8.6°,符合GB 50625—2010泵站设计规范的规定。经CFD数值模拟计算,出水流道工作门槽两侧圆弧附近有脱流现象,且整个流道内水流流速较快,造成的水力损失也较大 (见图6)。为降低出水流道的水力损失,在初始型线的基础上做如下改动:保持出口宽度不变,泵出口至工作门槽部位适当扩宽,取消工作门槽的圆弧段,将水泵出口锥管直接与工作门槽相连(见图7),经计算,出水流道当量扩散角增大至12°左右,同样满足GB 50625—2010泵站设计规范的要求。经CFD计算,工作门槽附近不再有脱流现象,流道内平均流速降低 (见图8)。

图5 泵站出水流道初始型线图

图6 优化后泵站出水流道型线图

图7 泵站出水流道水平流速分布图

图8 优化后泵站出水流道水平流速分布图

数学模型计算结果表明:初始方案的出水流道水力损失约0.127 m,阻力系数约2.032×104s2/m3;经优化设计后,出水流道的水力损失降至0.102 m,阻力系数下降至1.632×104s2/m3。由此可见,出水流道型线经过优化设计,水力损失和阻力系数均有明显下降,其水力性能得到了明显的提高。

4 水泵模型装置试验

通过上述CFD数值模拟获得了较为合理的进、出水流道型线,为进一步研究整套竖井贯流泵装置的水力性能,选定350ZMB-3.8模型水泵,配合优化后的流道型线进行模型水泵装置试验。泵站原型水泵直径3.0 m,转速95 rpm,按等nD条件,模型水泵转轮直径300 mm,转速为950 rpm。

模型试验各叶片角度下的最优效率点参数见表1,换算成原型后的参数(效率未修正)见表2,原型装置综合特性曲线见图9。

表1 泵站模型水泵装置主要参数表

表2 泵站原型水泵装置参数表

说明:总扬程考虑了流道进、出水口,流道和上下游闸门门槽水力损失总计0.3～0.5 m。

图9 站水泵原型装置综合特性曲线图

由表1、2及图9所示,优化后的模型水泵装置换算到原型水泵后,叶片转角为-2°,对应设计流量为25 m3/s时,设计扬程的效率值达到了75%,最高扬程的效率值达到了71%,最低扬程的效率值为49%。泵装置具有较好的水力性能。

5 结 语

(1)针对大型低扬程竖井贯流泵装置流道的水力损失问题,利用CFD数值模拟技术,对泵装置进、出水流道进行了全三维流场分析及优化设计。数学模型结果表明,通过细致的水力优化设计,进水流道内的脱流得到了控制,水力损失明显降低,流道内流速均匀度增大,出口偏流角减小,提高了水泵的入流条件;出水流道的水力损失有了明显的下降。进、出水流道的水力性能都有了明显提高。

(2)将经过数值模拟优化后的流道型线配合选定的模型转轮进行模型泵装置试验,结果表明,对应设计流量25 m3/s时,设计扬程的效率值达到了75%,最高扬程的效率值达到了71%,均超过了GB 50625—2010“净扬程低于3 m的轴流泵站,其装置效率不低于60%”的规定[4]。具有较好的水力性能。

(3)通过CFD计算可知泵装置进、出水流道总损失ΔH约为0.078+0.102=0.18 m,净扬程 H净=0.9m,故流道效率 η流道=H净/(H净+ΔH)=83.3%;由模型转轮特性曲线及模型泵装置试验可知,设计工况下,模型泵效率η泵=86.3%,若不对效率进行修正,可算出原型泵装置的流道效率 η流道=η装/η泵=86.9%。由此可知,CFD计算结果是基本准确的。

(4)本文采用CFD技术对泵装置流道型线进行优化,再配合模型水泵进行模型装置试验的方法,可减少试验工作量、缩短研究周期,为其他工程的设计提供参考。

[1]陆林广,张仁田.泵站进水流道优化水力设计 [M].北京:中国水利水电出版社,1997.

[2]肖玉平,郑源,黄昱.基于CFD的大型竖井式贯流泵装置的流动研究[J].水泵技术,2009(6):24-27.

[3]蒋红梅,陈松山,何钟宁.泗阳泵站出水流道可行性方案对比分析研究 [J].水利与建筑学报,2011,9(1):104-109.

[4]中华人民共和国水利部.GB 50265—2010泵站设计规范 [S].北京:中国计划出版社,2011.