基于FLUENT分析泵站出水端流态数值模拟

麻江峰

（山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002）

祁县贾令提水灌溉工程是汾河灌区节水改造工程项目中的一部分。水源工程包括分水闸、苗家堡泵站、引水管线等部分。主要任务是为贾令镇、李家堡村附近733.33 hm2，西阳羽村、丰泽村及前营村600 hm2农作物供水，设计流量为0.77 m3/s。本工程取水口位于东干渠昌源河渡槽下游，线路终点位于贾令镇南1.3km处。取水口分水闸布置在东干昌源河渡槽下游节制闸左侧，距离庙堡村约300 m。设分水闸从东干渠渠道取水，经苗家堡泵站加压提水后，用DN 900球墨铸铁管输水。引水线路全长7.31km，泵站1座，总装机480kW。工程沿线设排气阀井13座、排水阀井10座、流量计井 1座、检修阀室 1座、分水阀室 3座、穿公路段4处、穿河（沟）段1处、镇墩60个。

1 模型建立

FLUENT软件具有非常灵活的网格特性，能模拟分析各种任意复杂外形和体积的二维及三维几何模型，因此其应用也非常广泛，如层流及湍流问题、可压缩与不可压缩流动问题，定常和非定常流、稳态和瞬态流动问题等。FLUENT软件计算进程和计算结果可以通过监测器随时观察，并且计算结果能够保存多种格式文本。FLUENT软件求解过程文章用到三个软件，即前处理软件（GAMBIT）、求解器（FLUENT）、后处理软件（TECPLOT）。

苗家堡泵站承担着提水供水的任务，泵站内有三个进口端和三个出口端，中间安装3台水泵，单机流量为0.257 m3/s，装机容量为3×160 kW。本文选取苗家堡泵站的三个出水端及14.45 m的输水管线进行流态数值模拟。

根据施工设计图纸，进行苗家堡泵站的三个出水端及输水管线的二维模型建立，其中三个出水端管选择DN 400球墨铸铁管，长度分别为11.2 m、11.6 m、12.0 m。输水管线14.45 m，其中DN 400球墨铸铁管2.95 m，DN 600球墨铸铁管4.0 m，DN 900球墨铸铁管7.5m。利用GAMIBIT软件进行模型的建立，并导出数据。

2 网格划分及FLUENT求解

2.1 网格划分及边界条件设定

三个出水端及输水管线合并成一个二维面，对其进行网格划分，本文采用Quad网格和Submap的划分方式，网格间距选0.1 mm。设定三个出水端的进水入口为速力入口边界（velocity-inlet），输水管线出口为压力出口边界（pressure-outlet），完成设置后，进行网格输出，如图1。

2.2 FLUENT软件设置

FLUENT对模型的设定过程包括检查、显示和标定网格，然后在对模型进行设计算过程的设置，求解器选择的是segregated，液体流态为湍流。采用二阶离散方法计算，通过观察残差监测器中的迭代收敛曲线，分析各项数据是否满足收敛条件。最后导出数据到Tecplot软件中进行各种流态分析。管道中的水流轨迹流线图，如图2。

图2 三个出水端及输水管线内水流轨迹流线图

3 三个出水端及输水管道内压力场分析

在设计流量0.77 m3/s的状态下，模拟绘制出管道压力分布图（见图3），由图3可知：三个出水端水管中，上管内压力在7 000～8 000 Pa，中间管内压力在4 000～5 000 Pa，下面管内压力在1 000～2 000 Pa；输水管线管内2.95 m的DN 400管内压力在5 000～6 000 Pa，4.0 m的DN 600管内压力在3 000～4 000 Pa，7.5 m的DN 900管内压力在-1 0000～0 Pa。三个出水端及输水管线管道内的压力分布总体沿水流方向逐渐减小，这是由于水流水头损失原因造成的。

图3 三个出水端及输水管线内压力分布图

在最下面出水端和输水管道交叉处出现压力分布-2 000～-1 000 Pa的现象，表明该区域产生了负压，可能产生水锤现象，这对管道是不利的，因此在出水端向输水管道供水时应特别注意阀门的开启和闭关时间和开度，在管道施工中也应加强质量控制，尤其是这种管道交叉处更应做好加固措施。

4 三个出水端及输水管道内速度矢量图分析

选取X-Velocity和Y-Velocity的速度矢量图进行分析。X-Velocity的速度矢量图中输水管线管内的速度分析可知：2.95 m的DN 400管内速度在0.2～0.4 m/s，4.0 m的DN 600管内速度在0.6～1.0 m/s，7.5 m的DN 900管内速度在0.8～1.0 m/s。在DN 400管内出现速度0.2～0.4 m/s的现象主要是由于中间管道供水时，无形中造成一定阻力，影响其水流行进；在DN 600管内出现速度0～0.2 m/s的现象，除了下面下方水管造成的阻力外，水流管道从DN 400变成DN 600时，上下水流交汇会形成一定漩涡造成的。因此在出现漩涡的管道部位在施工和供水运行时应多加注意，如图4。

图4 三个出水端及输水管线内X-Velocity速度矢量图

Y-Velocity的速度矢量图中输水管线管内的速度分析可知：在靠近管道外边缘时，流速基本能达到2.4～2.6 m/s，在靠近三个出水端时，流速变缓基本在1.0～1.2 m/s。这说明在三个出水端同时供水时，由于输水管线有三种尺寸，大大制约了水的流动，在DN 400管内总体流速在2.0 m/s左右，在DN 400管内总体流速在2.5 m/s左右，在DN 400管内总体流速在3.0 m/s左右，如图5。

图5 三个出水端及输水管线内Y-Velocity速度矢量图

5 结论

通过对苗家堡泵站中的三个出水端及输水管线内压力分布和X、Y-Velocity速度矢量分布图的分析，进一步了解管内水流压力分布和流速分布，并且找出可能受影响的工程部位，为球墨铸铁管在泵站施工和供水运用时提供一定的参考依据。