某泵站全流道CFD仿真及流道改造研究

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(1. 武汉大学 a. 动力与机械学院； b. 水力机械过渡过程教育部重点实验室， 湖北 武汉 430072；2. 湖北省水利水电科学研究院， 湖北 武汉 430070)

某泵站全流道CFD仿真及流道改造研究

张帅帅1a，蒋劲1a,1b，应锐1a，孙强强1b，王玉成1b，陈奇2

(1.武汉大学a.动力与机械学院； b.水力机械过渡过程教育部重点实验室，湖北武汉430072；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北武汉430070)

为了使进出水流态稳定，减少出水流道水力损失，使用三维模拟软件Fluent，采用RNGk-ε模型对某城市排涝泵站全流道进行数值模拟仿真；针对泵站前池水流流态不稳，影响进水流道水流状态，出水流道流态不稳且水力损失较大等问题，对前池尺寸以及出水流道形式进行优化，并对优化方案进行仿真。优化前、后方案的仿真结果表明，前池的水流流态得到改善，出水流道水流流态得到改善，水力损失减小。

泵站；全流道；数值模拟；出水流道

泵站是水利工程最重要的组成部分之一[1]。 我国现有多处大型排灌泵站， 中小型排灌泵站更是得到广泛建设[2]。 排涝泵站的主要作用是在雨季时将城市积水排出去，防止城市内涝影响人们生活。 进、 出水流道是泵站的重要组成部分， 由于前池流态的稳定性会影响进水流道水流状态， 因此优化前池和出水流道水力设计具有重要意义。 近年来， 国内外众多学者对泵站流道的数值模拟进行了大量研究[3-8]， 取得了一批有价值的科研成果。 本文中根据某城市排涝泵站参数要求， 基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)中Fluent软件对其进行全流道数值模拟， 分析流动特性和水力特性，在此基础上优化其前池和出水流道设计，以达到优化其流动特性和水力特性的目的。

1 研究对象和模型

1.1 研究对象

某城市排涝泵站属于堤后式泵站，选用5台立式潜水泵，泵站总装机为5×630 kW。泵站5台泵全部运行，额定转速为295 r/min，泵站设计流量为50 m3/s。泵站主要功能是排涝，要求单向排水。

水流经引水渠进入前池和进水池，前池长度为20 m，底坡为1∶8.734，前池前端高程为38 m，宽度为16 m，后端高程为35.71 m，宽度为24.5 m，前池扩散角为12°。前池后接进水池，进水池底部高程为35.71 m， 长度为13 m，宽度为24.5 m。进水池处安装有拦污栅，单个栅道宽度为4.1 m，栅条纵向布置， 通流横截面积按85%计算。 进水流道为钟型， 流道长度为6.5 m， 进口宽度为4.1 m； 出水流道高度为1.8 m， 宽度为3.6 m。

1.2 几何模型

泵站全流道流场数值仿真的流体域几何建模按水流方向分为引水渠段、前池、进水池、拦污栅段、泵进水流道、潜水泵和泵出水流道。使用Pro/E软件建立全流道几何模型，如图1所示。

图1 某排涝泵站全流道几何模型

1.3 模型前处理

高质量的计算网格是计算的前提条件，同时也是影响数值计算结果的关键因素之一。利用CFD前处理软件对泵站全流场的计算区域进行网格划分，为适应泵站全流道复杂的几何模型，采用对复杂边界适应性较强的非结构全四面体网格[9-10]，网格扭曲率小于0.8，网格质量符合工程仿真要求。为提高计算精度与减少工作量，采用的网格总数为1 040万，其中引水渠、前池及进水池段230万，拦污栅段120万，进水流道240万，泵流道300万，出水流道150万。全流道网格模型如图2所示。

图2 某排涝泵站全流道网格模型

2 数学模型及边界条件

2.1 湍流模型

该泵站全流道流场数值仿真采用RNGk-ε模型[9]。RNGk-ε模型来源于严格的统计技术，通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响，使这些小尺度运动系统地从控制方程中去除，其方程表达为

(1)

(2)

式中：μeff为有效湍流黏度， 是μ与μt之和；k为湍动能；ε为耗散率；ui为i方向的速度；αk和αε分别为湍动能和耗散率的有效普朗特数的倒数；C2ε为常数；Gk是由平均速度梯度引起的湍动能；t为时间；x为坐标系中的横坐标。

RNGk-ε模型的主要特点如下：

1)通过修正湍动黏度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况；

2)在ε方程中增加了一项，从而反映主流的时均应变率，有效改善了精度；

3)RNG理论为湍流Pr数提供了一个解析公式，而标准k-ε模型使用的是用户提供的常数；

4)标准k-ε模型是高雷诺数模型，RNG理论则提供了一个考虑低雷诺数流动黏性的解析公式，该公式的作用取决于正确地对待近壁区域(采用壁面函数法或低雷诺数的k-ε模型来模拟)。

综上可知，RNGk-ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，包括快速应变、中等涡、局部转捩的复杂剪切流动情况(如边界层分离、块状分离、涡的后台阶分离等)。这些特点使得RNGk-ε模型在该泵站全流道流场模拟中有更高的可信度和精度[11-13]。

2.2 边界条件

对泵站全流道流场计算而言，设置正确的边界条件是计算准确的重要保障。

1)进口边界条件。在引水渠进口设置速度进口边界条件，根据设计流量为50 m3/s及引水渠截面积，进口流速为0.537 m/s(考虑液体不可压缩性)。

2)出口边界条件。包含泵的流场计算，设定出口边界条件为压力出口，同时设定出口与大气直接连通。

3)自由水面。泵站的上表面作为自由水面，忽略水面上由风引起的切应力及与大气层的相应热交换，对自由水面处水的流动规律采用刚盖假定[14]。

3 设计方案

泵站前池是关系到整个泵站能否安全运行的关键部分之一，其主要作用是保证水泵进水流道流态平稳。在实际泵站运行中，前池中常存在回流、旋涡等不良流态，使得进水池中水流紊乱，进水条件恶劣，甚至会引起水泵汽蚀、振动和噪声等，为了减少回流、旋涡等不良流态，经过再一次仿真后，将前池结构尺寸进行更改。图3为泵站前池变化对比图。

(a)变化前

(b)变化后图3 前池变化对比图

泵站出水流道也是关系到整个泵站能否安全运行的关键部分之一，其主要作用是保证水泵出口水流流态平稳。通过改变出水流道形状[15]，使设计的出水流道结构合理，水力损失小，流动稳定均匀。泵站出水流道基本结构如图4所示。

图4 出水流道基本结构

4 数值模拟结果分析

4.1 引水渠、前池及进水池

4.1.1 流场速度分布

对泵站引水渠、前池及进水池流道液面下等高位置不同横截面的速度分布进行对比分析，其优化前后的流速分布如图5所示。从图中可以看出，优化后不同等高面上速度分布更好， 在扩散段低速区

速度明显减小，并在主流方向有较好的速度梯度分布，尤其在主流偏向中间流动特征，可以看出在主流的中间流动特征分布较为均匀，证明该改进方案较好地改善了泵站前池及进水池的流态。

4.1.2 流场湍动能分布

对泵站引水渠、前池及进水池流道液面下等高位置的湍动能(能量耗散)分布进行分析比对，图6为优化前后不同横截面的湍动能分布图。从图中可以看出，优化后不同等高面上能量耗散优化明显减小，证明在该流场下的二次流动及漩涡强度明显减小，同时在扩散段能量耗散区同样明显减小，并在中间主流方向有较好的速度梯度分布，同样可以证明该改进方案较好地改善了泵站前池及进水池的流态。

4.2 拦污栅和进水流道

图7为拦污栅段的能量损失统计图，其中深色表示拦污栅进口处的总能量头，浅色区域为拦污栅出口处的总能量头。拦污栅处湍动能局部增大，水头损失小于0.01 m。

图8为进水流道能量头损失统计图。由图中可以看出，进水流道能量损失较小，进水流道平均水头损失约为0.15 m，证明该进水流道设计较为合理，能量损失较小。

(a)优化前

(b)优化后图5 优化前后不同横截面的流速分布

(a)优化前

(b)优化后图6 优化前后不同横截面的湍动能分布

图7 拦污栅段的总压损失图

图8 进水流道总压损失

4.3 出水流道

原出水流道为方形出水流道，水流从泵出口出来后，直接射向方形出水流道后壁面上，水力损失较大且流态不稳定；改为弯头形出水流道后，水流流向逐渐改变，使水力损失较小且流态较稳定。下面对2个方案计算结果进行对比分析。

4.3.1 流场速度分布

图9为2种不同形状出水流道内部速度分布图。从出水流道速度分布对比可以看出，水流从泵出口进入出水流道时，2个方案流速分布相似，原方案经过出水流道后流速明显小于优化后的方案，且优化后的出水流道流态较原方案稳定。

4.3.2 流场湍动能分布

图10为2种不同形状出水流道内部能量损失对比。由图中可以看出，优化方案相对于原方案而言，能量损失区域减小，虽然在转弯后区域形成一个明显的能量高耗散区，但从流动特征来看，该种改进方案具有一定的合理性。

4.3.3 流场能量损失分布

图11为2种形状出水流道内部能量头损失分布图， 其中深色为出水流道进口处能量头， 浅色为出水流道出口处能量头。 由图中可以看出， 原方案出水流道的水头损失约为0.5～0.6 m， 弯头形出水流道的水头损失接近0.4 m， 为方形出水流道的80%左右。

(a)优化前

(a)优化前

(b)优化后图10 出水流道湍动能分布对比

(a)优化前

(b)优化后图11 出水流道总压头损失对比

5 结论

本文中基于RNGk-ε模型对某城市排涝泵站全流道流场进行数值模拟并优化出水流道，通过对计算结果进行分析，得到以下结论：

1)前池优化后，能量耗散明显减小，二次流动及漩涡强度明显减小；

2)方形出水流道流线紊乱，水流冲击出水流道顶后反弹，形成强烈的循环涡流；优化后的弯头型出水流道流线较为均匀，水流实现平稳转向。方形出水流道的水头损失为0.5～0.6 m；优化后的弯头形出水流道水头损失接近0.4 m，约为方形出水流道的80%。由此可以得出结论，弯头形出水流道能够有效改善水流流态，减少水力损失。

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CFDSimulationandPassageReformofWholeFlowPassageinaPumpingStation

ZHANGShuaishuai1a,JIANGJin1a,1b,YINGRui1a,SUNQiangqiang1b,WANGYucheng1b,CHENQi2

(1.a. School of Power and Mechanical Engineering; b. Key Laboratory of Transients in Hydraulic Machinery of Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. Hubei Water Resources Research Institute, Wuhan 430070, China)

In order to stabilize the flow of forebay and outflow water and reduce the hydraulic loss of the runner, a RNGk-εmodel was used to simulate the whole flow passage of the pumping station by the three-dimensional simulation software Flent. Because the unstable flow pattern of the forebay basin affected the flow state of the inlet passage, the flow passage is unstable and the hydraulic loss is large, the scheme of the former pool size and the passage flow modification were put forward and simulated. The simulation results show that the flow regime of the front tank is improved after adjust-ing the size, and the flow regime of the outlet flow passage is improved and the hydraulic loss is reduced.

pumping station; whole flow passage; numerical simulation; outlet passage

2017-03-07 < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-12-13 16:48

国家自然科学基金项目(51279145)

张帅帅(1990—)， 男， 山东菏泽人。 硕士研究生， 研究方向为流体机械及工程研究。 电话： 17662507530， E-mail：

tianliang1870080@163.com。

蒋劲(1963—)，男，湖北武汉人。教授，博士，博士生导师，研究方向为水力机械装置过渡过程试验及数值模拟研究。

电话：13907169465，E-mail：jinjiang@whu.edu.cn。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20171212.1637.008.html

1671-3559(2018)01-0020-07

10.13349/j.cnki.jdxbn.2018.01.004

TV675

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(责任编辑:刘建亭)