某泵站不同叶轮直径出水流道方案的数值计算

黄金军 陈阿萍 叶晓东 尹 华

（1.常州市水利规划设计院 常州 213000； 2.常州市城市防洪工程管理处 常州 213000）

某泵站不同叶轮直径出水流道方案的数值计算

黄金军1陈阿萍2叶晓东1尹 华1

（1.常州市水利规划设计院 常州 213000； 2.常州市城市防洪工程管理处 常州 213000）

采用数值计算的方法，利用Fluent流体力学分析软件研究了某大型低扬程立式泵站不同叶轮直径出水流道的基本流态，并将流道的水力损失进行了比较。结果表明：随着叶轮直径的增大，出水流道内的流态明显的改善，出水流道的水力损失明显减少。

进水流道 基本流态 水力损失 比较

1 引言

出水流道是泵站装置的一个重要组成部分，出水流道的水力性能对泵站的装置效率有着重要的影响，特别是对低扬程泵站，其重要性显得更为突出。本文借用某大型低扬程立式泵站H站的有关参数，采用流道单独研究的方法，利用Fluent流体力学分析软件对与不同叶轮直径配套的虹吸式出水流道的水力性能进行研究。该方法的最大特点是可以较为准确地了解出水流道的水力特性，并便于对它们进行多方案的比较。

2 关于出水流道

与大型立式轴流泵配套使用的出水流道形式一般有虹吸式和直管式出水流道。国家标准《泵站设计规范》（GB/T 50265-2010）推荐：对于立式轴流泵站，当出水池水位变化幅度不大时，宜采用虹吸式出水流道；对于出水池最低运行水位较高的泵站，可采用直管式出水流道。

虹吸式出水流道是一种弯曲形的流道，由于它可以安全地越过堤防，而且流道可以直接挡洪，在断流方式方面的优点突出，在大型立式泵站中得到了十分广泛的应用。虹吸式流道采用真空破坏阀断流，不需要设置快速闸门或拍门，不仅投资省、日常维护工作量小，而且可靠性高。

本文选择了水力性能最好、应用最为广泛的虹吸式出水流道为对象，研究叶轮直径对出水流道水力损失的影响。

3 虹吸式出水流道计算方案

本文借用H泵站的有关参数，确定了水泵叶轮直径为D=3.0m、D=3.4m和D=3.6m三个研究方案，分别对与这3个叶轮直径的水泵相配套的虹吸式出水流道方案进行了优化水力计算。这三个方案出水流道方案的控制尺寸相同，但流道进口段的几何形状根据导叶出口的几何尺寸做了相应调整。本文所采用经过优化后的三个方案的出水流道单线图见图1。

4 出水流道计算区域及边界条件

为方便设置出水流道进、出口的边界条件，分别沿出水流道的进、出口分别向外拉伸一定长度，出水流道的数值计算区域包括进水直管、出水流道和出水池，出水流道的取压断面设在出水流道的进口和距出水流道出口有一段距离的出水池内。出水流道计算区域如图2所示。

为了准确地应用进口的边界条件，将计算流场从出水流道的进口断面逆水流方向等直径延伸，使计算流场的进口断面设置在距出水流道进口2倍圆管直径处。在这里，可认为来流速度在整个断面上均匀分布，计算流量作为已知条件，故而计算流场的进口采用速度进口边界条件。考虑到导叶出口的水流一般都不同程度具有剩余环量，为了模拟实际的流动情况，根据对模型泵出口水流环量的测试结果，对流场进口的水流预置一定的环量；计算流场的出口设置在距流道出口有一定距离的出水池内，出口断面为一垂直于水流方向的断面。在这里，流动是充分发展的，可采用自由出流边界条件。

5 出水流道计算区域网格剖分

本章对出水流道计算区域内不同的计算单元采用不同网格类型、不同网格密度的网格剖分形式。即对出水流道采用适应性较强的非结构化网格，进水直管和出水池采用混合网格、cooper网格进行延拓，具体网格剖分情况如图2所示。

6 出水流道的数值计算结果

三个方案的出水流道表面流场图和分层流场图分别见图3、图4。

从出水流场图可以看出：由于在出水流道进口预设了一定的进口环量，因此水流是旋转着进入出水流道的；出水流道上升段各断面的高度虽逐步减小，但随着流道宽度的逐步扩大，上升段内的流速还是逐步减小，由于转向角度和扩散较为平缓，该段流道内无脱流现象；流道下降段内水流由于受到水流惯性和环量的双重作用，导致下降段内左右两侧的流场不对称，顺水流方向看，主流偏向流道的左侧上部，而在流道右侧下部区域可能出现局部旋涡。

通过流场还可以清楚地看到：方案1的出水流道在下降段的右侧下部区域存在一个明显的低速回流区，随着叶轮直径的增大，回流区区域逐渐减小，方案3的出水流道内已经无回流区域。

三个方案出水流道的水力损失计算结果见表1，由计算结果可以看出，出水流道的水力损失接近于与叶轮直径的4次方成反比。

图1 三个方案出水流道单线图

图2 出水流道计算区域网格剖分图

图3 各方案出水流道表面流场图

表1 3个方案出水流道数值计算结果表

图4 各方案出水流道分层流场图

7 结论

本文采用流道单独研究的方法对不同叶轮直径的3个虹吸式出水流道进行三维湍流流动数值模拟，并对计算结果进行了比较分析，得到如下结论：

（1）在设计流量一定的条件下，选取较大的水泵叶轮直径有利于改善出水流道的流态和减少出水流道水力损失，进而提高泵站装置效率。

（2）适当加大水泵叶轮直径，出水流道控制尺寸没有随叶轮直径的增加而增加，只是相应的调整出水流道的进口型线，因此土建投资增加较少