七浦塘江边枢纽轴流泵装置数值模拟计算研究

(苏州市水利水务信息调度指挥中心，江苏 苏州 215011)

1 概 述

七浦塘江边枢纽工程是兼具排涝、引水两大功能的双向运行泵站，设计总流量120m3/s，经比较选用4台立式轴流泵机组配开敞式进出水流道。该双向运行的泵站运行时间长，运行工况的水力条件复杂，本文运用CFD模拟计算手段，优化水泵装置性能，实现泵站安全、稳定、高效运行。

2 泵站基本参数及运行特点

2.1 泵站运行净扬程

排涝工况：最高扬程3.69m，设计扬程2.64m，最低扬程0m；引水工况：最高扬程3.88m，设计扬程2.40m，最低扬程0m。

2.2 水泵特点

水泵单向转动，通过进出水流道的闸门切换，形成引水和排涝不同方向的装置水流流动。水泵叶轮直径3.15m，转速115.4r/min。

3 水泵装置CFD优化

验证初拟进、出水流道型线合理性，并对流道型线、流道长宽高尺寸、出水流道隔墩位置、水泵导水形状高度、进水喇叭管高度、出水扩散管及导水锥等进行水力性能优化。

选择适合泵站特征参数合适的水力模型，并通过对不同叶片数叶轮、导叶及不同进、出水结构组合的全流道泵装置进行数值计算，优化水泵进出水结构型式。

4 泵装置的网格剖分及计算精度

泵装置的网格剖分及计算精度是CFD模拟计算准确性的关键[1](泵装置三维模型见图1)。泵装置计算区域的网格单元数共计3046835个，网格节点数共计1279676个，其中四面体网格单元数2278663个、六面体网格单元数768172个(叶轮与导叶体的网络见图2)。各物理量的残差收敛精度均设置为1.0×10-5，且扬程的变化趋于稳定，即该工况下数值模拟结果满足收敛要求。

图1 优化组合的泵装置三维模型

图2 叶轮与导叶体网格

5 水泵装置优化模拟计算

5.1 控制方程和紊流模型

此次计算采用“冻结转子法”(frozen rotor)处理叶轮与进水流道、导叶之间动静耦合流动的参数传递。控制方程的离散采用基于有限元的有限体积方法。扩散项和压力梯度用有限元函数表示，对流项采用高分辨率格式(high resolution scheme)。流场的求解使用全隐式多重网格耦合方法，将动量方程和连续性方程耦合求解。控制方程采用雷诺平均N-S方程，紊流模型采用修正湍流黏度的RNGk-ε模型。

5.2 流道优化计算要求

进水流道的出口断面轴向速度分布均匀，保证叶轮进水的水流流态。要求进口轴向速度分布均匀度Vzu接近100%。

出水流道应很好地回收动能。

5.3 初拟进出水流道的主要控制尺寸

双向进水流道进口断面的尺寸为8.60m(宽)×5.20m(高)，进水流道总长度为35m，流道内部净高为4.40m，流道出口断面直径为3.00m。

出水流道的出口断面尺寸为8.60m(宽)×4.20m(高)，出水流道总长为19.70m(从出水流道胸墙前缘算起)，流道内部净宽为8.60m，出水流道为开敞式出水池。

5.4 泵站进水流道的数值计算及优化

5.4.1 优化方案

双向进水流道优化重点是喇叭管的几何尺寸及导水锥形状。对喇叭管底部与进水流道底板顶高程的距离设置2种不同的方案：方案1是176cm，方案2是219cm(各方案进水流道单线图见图3)。

图3 进水流道喇叭管及导水锥优化单线

5.4.2 泵站进水流道的各方案水力性能比选

在设计流量Q=30m3/s时，方案2进水流道的水力损失比初设方案减小了9.35%，达到了进水流道优化的目的，对数据进行拟合，得出方案2进水流道水力损失与流量的关系为Δh=0.0002Q2(进水流道3个方案的三维流场数值计算结果见图4，各方案进水流道出口断面的水力性能分析结果见图5)。

图4 不同方案进水流道水力损失

图5不同方案进水流道出口断面水力性能

从图5可见方案2的进水流道轴向速度分布均匀度相比初设方案提高了2.8%，速度加权平均角提高了0.45°，表明了方案2达到了进水流道优化的目的。

5.4.3 优化后进水流道的内流场分析

为进一步分析优化后进水流道的内部流动结构，选取3个特征工况(流量Q=18m3/s、30m3/s、39m3/s)(见图6)。各工况时双向进水流道内流场的前部流线平顺，在双向进水流道的盲端处，流速很小，表现为运动缓慢的回流区。盲端侧流态较差，有漩涡出现，但漩涡初生环量较小，能量积聚未达到形成涡带的初生条件，因此该漩涡并不影响机组的正常运行。双向进水流道可看作是后壁距很大的单向流道，因后壁距较大，故易形成死水区[2]。CFD计算还可以得到泵装置内流场的速度、静压分布信息，受篇幅限制，仅用流线图来显示[1]。

图6 不同工况时双向进水流道方案2的三维流线

5.5 泵站出水流道的数值计算及优化

5.5.1 优化方案

出水流道顶至喇叭管顶部高度是影响水流流态的关键部位。根据江苏省水利动力工程重点实验室的研究成果[3]，优化后的喇叭管顶部至流道顶部高度宜为0.48D，喇叭管出口直径宜为1.66D，喇叭管出口半径与后导水锥等高处半径差宜为0.43D，后导水锥顶部直径宜为1.49D。

图7 优化前后的出水流道喇叭管及后导水锥单线(虚线为优化前，实线为优化后)

5.5.2 泵站出水流道的各方案水力性能比选

出水流道的水力性能受导叶体出口剩余环量的影响，为此对出水流道进水段与扩散导叶体的轮毂采用光滑过渡，对导水锥也进行相应修改，优化考虑了出口剩余环量的大小，并将环量作为进口条件之一[4]。优化前后的出水流道水力损失见图8。

图8 不同方案双向出水流道水力损失

5.5.3 优化后出水流道的内流场分析

为分析优化后双向出水流道内部流态，选取3个特征工况(流量Q=18m3/s、30m3/s、39m3/s)对双向出水流道内部流态进行分析(见图9)。各工况时，水流从出水喇叭管出来后从四周汇入双向出水流道内部，部分水流进入出水流道的盲端形成回流区，并绕过出水喇叭管进入出水侧，部分水流直接进入出水侧，水流呈螺旋状。出水流道出口断面面积为36.12m2，在计算工况范围(18m3/s

图9 不同工况时双向出水流道内部三维流线

6 不同导叶体对泵装置水力性能的影响

为进一步提高泵装置的水力性能，对采用直导叶体和扩散导叶体的泵装置，分别在叶片安放角0°时进行三维数值计算，并分析了其对泵装置整体水力性能的影响(2种导叶体的三维模型见图10)。

图10 不同导叶体的三维模型

在计算的5个特征工况中，配扩散导叶体的泵装置效率高于配直导叶体的泵装置效率。采用扩散导叶既能较好地回收叶轮出口水流的旋转动能，也可回收水流的轴向水流动能，将水流速度的动能更大化地转化为压能，可提高泵装置的水力性能[6](2套泵装置的流量-效率对比见图11)

图11 不同导叶体的泵装置流量-效率对比

在上述数值计算的基础上，对3个叶片安放角的泵装置能量性能进行了预测(预测结果见图12、图13)。采用TJ04-ZL-23号水力模型，在叶片安放角0°，引水设计扬程时设计流量30m3/s，但在排水工况设计扬程时，流量未达到30m3/s；将叶片安放角定在+1.2°时，引水和排水工况在设计扬程时流量均可满足要求。

图12 不同安放角时泵装置流量-扬程曲线

图13 不同安放角时泵装置流量-效率曲线

7 结 论

a. 在设计工况，优化后的进水流道结构方案，使进水流道水力损失减少了9.35%，叶轮进口轴向速度分布均匀度提高了2.8%，速度加权平均角提高了0.45°；出水流道水力损失减少了18.85%。

b. 采用三维数值计算，分析了2种不同导叶体及出水流道的组合对泵装置水力性能的影响，结果表明：采用扩散导叶体的泵装置效率高于采用直导叶的。

c. 采用TJ04-ZL-23号水力模型，优化后的原型泵装置在排水设计工况(H=2.94m)，叶片安放角1.2°时泵站装置效率为66.48%；在引水设计工况(H=2.71m)，叶片安放角1.2°时泵站装置效率为67.02%。泵装置效率均能满足该站的要求。

[1] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社，2004.

[2] 陈玉璞.流体动力学[M].南京:河海大学出版社，1989.

[3] 杨帆,刘超,汤方平,等.大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析[J].农业机械学报,2011,42(5):39-43.

[4] 李忠,杨敏官,王春林.轴流泵叶轮出口流场实验[J].农业机械学报,2009,40(9):94-97.

[5] 成立,刘超,汤方平,等.对称翼型转轮双向泵装置紊流数值模拟与性能预测[J].农业机械学报,2004,35(5):78-81.

[6] 刘超.水泵及水泵站[M].北京:中国水利水电出版社,2009.