梁寨闸站泵装置流道CFD优化设计

张 亚,陈亚军

(徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000)

1 概述

梁寨闸站位于丰县梁寨镇郑集南支河上，是丰县南线调水第二级泵站工程。该泵站设计流量37m3/s，选用4台1850ZLQ12- 5.5机械全调节立式轴流泵(3机1备)，单机流量为12.33m3/s，单机配套功率为1000kW，总装机容量4000kW。泵站采用肘形流道进水、虹吸式流道出水，真空破坏阀断流。泵室底板顺水流方向总长26.50m，垂直水流方向总长23.0m。泵站设计净扬程4.9m，最大为5.2m，最小为3.2m[1]。

在流量为12.33m3/s，叶轮直径为1850mm时，通过对叶轮叶片角度为+2°和+4°两种角度下的泵装置性能进行对比分析，最终选取+2°作为本次数值模拟叶轮角度。在特征扬程下，通过对水力模型ZM42、ZM6.0-Y981、TJ04-ZL- 20和ZM55四种原型泵段性能参数对比分析，初步选用由扬州大学开发的ZM55水力模型，基于该水力模型及其配套后导叶，采用数值模拟对肘型进水流道和虹吸式出水流道进行优化设计[2]。

2 数值模拟基本理论及采用软件

考虑泵装置内部流动介质为水，可简化为不可压缩的牛顿液体，采用的控制方程为雷诺平均N-S方程，紊流模型采用SST紊流模型[3]。本工程项目采用合适的叶轮和导叶体，与进、出水流道共同组成泵站水泵装置CFD数值仿真计算模型，开展泵站水泵装置CFD数值仿真计算，在整个水泵运行范围内，进行包括水泵叶轮、导叶、进水流道、出水流道在内的泵装置全流道数值模拟，本次模拟对进、出水流道进行了对比优选[4- 7]。

2.1 水力性能计算依据

2.1.1 水力损失计算依据

根据伯努利能量方程[8- 9]引入水力损失△h概念，采用CFD数值计算得到的流速场和压力场预测过流部件的水力损失，计算式为：

(1)

2.1.2 出口断面轴向流速分布均匀度计算依据

进水流道的设计应为叶轮提供均匀的流速分布和压力分布进水条件。进水流道的出口也是叶轮室的进口，其轴向速度分布均匀度Vzu反映了进水流道的设计质量，Vzu越接近100%，表明进水流道的出口水流的轴向流速分布越均匀，其计算公式如下：

(2)

2.1.3 泵装置性能预测计算依据

根据伯努利能量方程计算泵站装置扬程，由计算得到的速度场和压力场以及叶轮上作用的扭矩计算泵装置的水力性能[10]。

泵装置进水流道入口与出水流道出口的总能量差定义为装置扬程，表达式如下：

(3)

泵装置效率即为：

(4)

2.2 计算采用软件及计算说明

采用NX 10.0与ANSYS ICEM软件对肘形进水流道、虹吸出水流道和出水弯管进行实体建模与网格剖分[11]。采用ANSYS TurboGrid软件按照叶轮D=300mm标准模型对叶轮和导叶体进行标准模型建模与网格剖分，再按比例放大到1850mm原型泵尺寸[12]。

2.3 进、出水流道模型方案及其组合

2.3.1 进水流道模型

在进水流道底板距离叶轮中心距离不变，通过改变转弯处喉部位置，尽量使水流在转弯时过渡均匀，本次数值模拟中，喉部位置较高的为方案一，较低的为方案二，如图1所示。

图1 肘形进水流道不同方案正、俯视对比图

2.3.2 出水流道模型

出水流道建模时参照以往性能优良的虹吸式出水流道确定主要设计参数，控制驼峰位置基本不变，改变驼峰断面处水流流速，确定了2.4、2.15、2.0m/s，对应的出水流道为方案一、方案二和方案三。不同方案出水流道情况如图2所示。

图2 虹吸出水流道不同方案正、俯视对比图

在CFX软件中装配肘形进水流道、叶轮、导叶、出水弯管和虹吸式出水流道泵装置模型，得出泵装置模型如图3所示。

图3 立式轴流泵泵装置模型图

2.3.3 方案组合

整体泵装置方案按照进水流道和出水流道方案组合，采用序号1、2、3、4，流道方案采用序号一、二、三，见表1。

表1 立式轴流泵原型泵模拟进、出水流道方案表

3 计算结果分析

3.1 肘型进水流道内流场图

方案一、方案二肘形进水流道流线图如图4所示，压力分布云图如图5所示，出口压力分布云图如图6所示。

3.2 虹吸出水流道内流场图

三种方案虹吸出水流道内部流线图如图7所示，壁面静压云图如图8所示，中间断面的静压云图如图9所示。

表2 泵站进水流道、出水流道各方案分析对比表

图4 方案一、方案二肘形进水流道流线图

图5 方案一、方案二肘形进水流道压力分布云图

图6 方案一、方案二肘形进水流道出口压力分布云图

图7 三种方案虹吸出水流道内部流线图

图8 三种方案虹吸出水流道壁面静压云图

通过泵站进水流道、出水流道各方案分析对比，得出结论，见表2。

3.3 立式轴流泵泵装置流线图

对四种方案在设计工况下进行计算，对泵装置内部流线进行分析，绘出四种方案设计工况内部流线图如图10所示。

对四种方案在设计工况下整体泵装置流线进行分析，可知方案4的进、出水流道流态均最好，无漩涡和回流等不良流态，建议优选。方案1、方案2和方案3出水流道虹吸下降段均存在小范围的回流区，不建议选取。

3.4 立式轴流泵泵装置性能曲线计算结果

在计算域的出口设置流量为12.33m3/s，经过全流场的数值模拟计算，取肘形进水流道进口到虹吸式出水流道出口的性能，不同方案的性能见表3。

表3 立式轴流泵原型泵模拟计算结果(n=214.3rpm D=1850mm)

取不同方案肘形进水流道、导叶、出水弯管和出水流道的水力损失，见表4。

表4 四种方案泵装置的水力损失

图9 三种方案虹吸出水流道中间断面的静压云图

图10 四种方案设计工况泵装置内部流线图

通过数值模拟计算并经分析，进水流道方案二明显优于方案一，水力损失小，性能更优；出水流道方案三的性能优于方案一和方案二，最终确定进水流道方案二和出水流道方案三为最优方案，即方案4为最优方案。

3.5 最优方案的多工况数值模拟计算

选取最优方案(方案4)，对0.8Qd、0.9Qd、1.0 Qd、1.1Qd、1.2Qd和1.25Qd的水力特性进行计算，绘制外特性曲线如图11所示。

图11 方案4外特性图

4 结论

基于CFD技术，通过对泵站的流道内流场和泵装置内部流线进行数值模拟，根据模拟结果并结合泵装置性能曲线计算结果优选了设计方案，并计算绘制了最优方案的流量-扬程、流量-效率曲线，该分析成果能满足GB 50265—2010《泵站设计规范》要求[13]。通过CFD技术进行流动细节分析，能达到肘形进水流道、虹吸出水流道方案优化的目标，并大大简化流道优化设计的工作量和难度，达到较好的优化效果。

但是，数值模拟结果表明，在ZM55叶轮安放角+2°时，可以满足梁寨闸站的流量扬程需求，与水泵选型的+4°稍有偏差，还有待在模型试验中进一步验证。