轴流泵站开敞式进水池的消涡措施分析

施高萍，王益土，华泽元

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院,浙江 杭州　310018)



轴流泵站开敞式进水池的消涡措施分析

施高萍，王益土，华泽元

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院,浙江 杭州310018)

摘要：以浙江省典型的排涝泵站为例，通过三维湍流Navier-Stokes控制方程和标准k-ε模型，采用SIMPLEC算法,对轴流泵站开敞式进水池进行了数值模拟分析，提出了后墙隔板、水下隔板和管后隔板等6种消涡方案.结果表明，上述6种消涡方案均有一定的消涡效果，当采用管后隔板且后壁距T=0.75D时，消涡效果最佳，轴向流速分布角均匀度为最好，泵站装置效率为最高.

关键词：消涡方案；开敞式进水池；轴流泵

1工程概况

该泵站为浙江省典型的排涝泵站，主水泵泵型为900ZLB-70H，额定转速n=485 r/min，设计扬程H=5.4 m，设计流量Q=2 m3/s，进水池为开敞式进水池，平面形状为矩形，图1为泵站的纵剖面图.

图1　浙江省典型的排涝泵站剖面图

泵站进水池的主要作用是调整水流，使池中水流平稳，为水泵提供良好的进水条件.进水池设计不当，会使进水池内水流流态恶化，出现旋涡和回流，降低泵站效率，影响水泵正常运行.进水池主要几何参数有：后壁距、悬空高、池宽、池长等.目前，国内学者通过模型试验给出了上述主要几何参数的参考取值范围[1-3]：后壁距T=0.75D、悬空高P=(0.5～0.8)D、最小池宽B=(2.0～3.0)D，池长L>4D(D为进水喇叭口直径).当进水池的主要几何参数取值在上述范围内时，进水池内水流流态平稳，可确保水泵装置性能的正常发挥.

由图1知，进水喇叭口直径D=1 245 mm，后壁距T=1 277.5 mm=1.03D，悬空高P=1 015.0 mm=0.81D，池宽B=3 700 mm=2.97D，池长L=6 100 mm=4.9D.该进水池除后壁距值远大于参考取值范围外，悬空高、池宽、池长等参数均在参考取值范围内.过大的后壁距虽可使水泵四周产生均匀进水条件，但过大后壁距也增加了旋涡和回流产生的几率[4-6].

2开敞式进水池的数值模拟

2.1数值计算方法

开敞式进水池的数值计算采用雷诺时均Navier-Stokes方程和连续性方程来描述，利用标准k-ε湍流模型使上述方程组闭合，方程组求解采用分离半隐式压力耦合算法(SIMPLEC法)，网格划分为四面体的非结构化网格，通过网格优化和光顺以提高网格的质量.

取开敞式进水池为研究对象，外形轮廓为计算边界，整个水池包围的水体为计算区域.计算轴流泵叶轮流场时，采用与叶轮等速同向旋转的参照坐标系，旋转速度设定为n=485 r/min.

2.2边界条件

进口边界取进水池上游较远处，假定此处水流已是充分发展的紊流.根据轴流泵设计流量，取速度进口边界条件：v=Q/A=2/(2.2×3.7)=0.245 7 m/s.出口边界取轴流泵吸水管的出口处，假定出口流动已为单向状态，为自由出流边界条件.进水池上表面取为对称边界条件.进水池的固体壁面包括边墙、轴流泵轮毂、叶轮叶片正背面及导叶正背面等选择标准壁面函数，在固体边壁处为无滑移条件[7-8].

2.3数值模拟结果分析

图2为计算得到的进水池水流流态图，池中水流表现为从喇叭口前侧、两侧及后侧进入水泵.喇叭口前侧水流直接从喇叭口前部进入水泵；靠近两侧壁水流从喇叭口两侧进入水泵；水面向下近1/3左右的水体，主要从喇叭口后侧进入水泵，且在水泵后侧形成较明显的回流区.

图2　进水池水流流态图

合理的进水池设计可为水泵提供均匀的进水流态，确保水泵进口断面流速分布均匀.研究表明，水泵进口断面的流速分布均匀性会直接影响水泵性能的发挥[2].为此，引入流速分布均匀度函数Vn，流速分布均匀度越高表明断面均匀性越好.

(1)

uai—该断面i单元的轴向速度，m/s；

M—数值计算时该断面所划分的单元网格数.

根据公式(1)计算得该进水池进口断面的轴向流速分布均匀度为26.15%，与理想值100%相距甚远.进一步计算得该泵站的装置效率为54.53%.根据《泵站更新改造技术规程》，对于装置扬程大于5 m的轴流泵站，其装置效率不宜低于65%.因此，需对该进水池进行改造，以减小进水管后侧的回流区，提高泵站的装置效率.

3开敞式进水池的消涡方案

3.1消涡方案

通过对进水池数值模拟分析可知，该进水池主要因过大后壁距而在水管后侧产生了回流.因此为减小水管后侧的回流区，提出后墙隔板、水下隔板和管后隔板等6种消涡方案(见图3).

3.2不同消涡方案的比较

3.2.1水流流态分析

对上述6种消涡方案进行数值模拟计算，得到进水池的水流流态(见图4).

方案1为后墙隔板，隔板底部与进水喇叭口平齐，隔板上表面与水池水面平齐，隔板厚度为0.15 m.由图4(a)，进水池中的水体绕过水泵后，被隔板分成两部分，分别对称地从隔板两侧进入水泵.部分水体绕过水泵后，在水泵后侧和隔板之间打转，导致仍有部分回流产生.

方案2为水下隔板，即在进水管后侧的水面下加设一个长方体隔板，尺寸为0.35 m×0.35 m×3.70 m.由图4(b)，进水池中的一部分水体绕过进水管，撞击进水管后侧的隔板，并在其后方旋转.因此，水流不仅在进水管后侧有旋涡，还在水下隔板附近有小旋涡，水流紊乱.

方案3～方案6为管后隔板，即在进水管后侧设置一个隔板，厚度为0.05 m，其底部与池底平齐，上表面与水面平齐，隔板把进水池后侧的水体与前面的水体隔开，相当于把进水池后墙往前移，后壁距分别为T=0，T=0.25D,T=0.50D和T=0.75D.方案3～方案6目的均为减小后壁距，阻止大范围回流区的产生.由图4(c)～图4(f)，该四种方案下水流平稳，进水管后侧均没有回流区产生.

3.2.2流速分布均匀度分析

计算得6种消涡方案下水泵进口断面的轴向流速分布均匀度和装置效率(见表1).

图3　6种消涡方案

图4　6种消涡方案的进水池水流流态

消涡措施原方案方案1方案2方案3方案4方案5方案6流速分布均匀度/%26.1562.7260.1860.4161.3362.6962.86装置效率/%54.5377.1273.5573.5874.0674.7077.27

由表1知，相比原设计，6种消涡方案均提高了水泵进口断面的轴向流速分布均匀度和水泵的装置效率.6种消涡方案中，方案6(管后隔板T=0.75D)为最佳，该种方案下流速分布均匀度为62.86%，泵站装置效率为77.27%，其次为方案1(后墙隔板)，该种方案下流速分布均匀度为62.72%，泵站装置效率为77.12%.

4结论

(1)开敞式进水池是浙江省轴流泵站中应用最为广泛的进水形式.开敞式进水池的主要几何参数，对水泵装置效率影响较大.过大的后壁距，在进水管后侧产生较大的回流区，会降低泵站的装置效率.

(2)为减小因进水池后壁距过大而产生的回流，提出了后墙隔板、水下隔板和管后隔板等6种不同的消涡方案.采取6种消涡方案后，进水池的水流流态得到了较大改善，水泵进口断面的流速分布均匀度和泵站装置效率均有所提高.

(3)6种消涡方案中，方案6即管后隔板且后壁距T=0.75D为最佳.该种方案下，进水池进口断面流速分布均匀度为62.82%，泵站装置效率为77.27%.

参考文献：

[1]丘传忻.泵站.[M].北京：中国水利水电出版社,2004.

[2]成立，刘超，周济人,等.泵站开敞式进水池几何参数的数值模拟[J].农业机械学报，2009,40(1)：50-55.

[3]成立，刘超.基于CFD技术的泵站进水池水力性能研究[J].河海大学学报(自然科学版)，2009,37(1)：52-56.

[4]徐存东，杨柯，肖璐，等.竖向进水管布置对泵站进水流态的影响模拟[J].排灌机械工程学报，2012,30(1)：40-45.

[5]施高萍，项春，崔梁萍.浙江省大中型轴流泵站进水池效率影响因素分析[J].水力发电，2010，36(12)：72-74.

[6]施高萍.轴流泵站开敞式进水池的数值模拟与技术改造[J]．水电能源科学，2012，30(1):192-194,123.

[7]崔梁萍，郭晓梅，王莺，等．轴流泵内部三维湍流场数值模拟[J]．浙江水利水电专科学校学报，2009，21(4)：34-37.

[8]施高萍.轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析[J].浙江水利水电专科学校学报，2010，22(3)：38-41.

Analysis on Counteracting Vortex for Open Suction Sump of Axial-flow Pump Station

SHI Gao-ping, WANG Yi-tu, HUA Ze-yuan

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Taking typical drainage pump station in Zhejiang Province as example, numerical simulation was carried out on three-dimensional flow field of open suction sump of axial-flow pump station, based on the turbulent model of Navier-Stokes and standard k-εby using SIMPLEC algorithm. At the excessively large value of back wall, vortex was appeared near the intake pipe, which causes the axial velocity distribution uniformity and low efficiency. To eliminate the vortex, six different methods of counteracting vortex were proposed.The results show that the anti-swirl effect of the methods is good. When the value of back wall is equal to 0.75D, the anti-swirl effect is the best, the axial velocity distribution is uniform, and the efficiency is high.

Key words:counteracting vortex; open suction sump; axial-flow station

收稿日期：2015-12-10

基金项目：2014年国家级大学生创新创业项目(201411481010)

作者简介：施高萍(1978-)，女，浙江缙云人，副教授，主要研究方向为CAD/CAM及工程力学的教学与研究.

中图分类号：TV214

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)04-0026-04