卧式泵站直管式出水流道型线变化水力性能数值模拟

颜红勤，蒋红樱，周春峰，成 立，汤 雷

(1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，南京 210029；2.江苏省南京市水务局设施管理中心，南京 210029；3.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

0 引 言

出水流道是连接水泵导叶出口与出水池的衔接通道，其作用是为了水流在从水泵导叶出口流入出水池的过程中更好地转向和扩散，在不发生脱流或漩涡的条件下最大限度地回收动能[1]。直管式出水流道由于断面形状简单，施工方便，水力损失小等优点，在扬程较低的大、中型泵站中被广泛应用。

目前，国内学者对出水流道进行了广泛研究，研究主要内容有：直管式出水流道优化水力设计研究[2]；泵站出水流道模型水力损失的测试[3]；直管式出水流道模型试验研究[4]；贯流泵装置及进出水流道数值模拟分析[5]；水泵转速变化对出水流道水力损失的影响[6]；泵站进出水流道优化设计目标函数研究[7]等。水流经叶轮旋转通过导叶回收部分环量，但仍有一部分环量未完全消除，并对出水流道的水力性能产生影响。前人对直管式出水流道型线演变研究较少，因此，本文对卧式泵站直管式出水流道进行数值模拟，采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术，探讨出水流道在有剩余环量情况下，改变直管式出水流道型线对其流道内水力损失及特征断面水力性能的影响，研究成果为出水流道的水力设计提供理论依据。

1 工程概况

某单向卧式引水泵站，设计引水流量100 m3/s，设有3台机组，叶轮直径3 300 mm，叶片数为3片，叶片角度为0°，导叶数为5片，叶轮转速为131.82 r/min。每台泵设计流量33.3 m3/s，配套电机功率1 600 kW,总装机4 800 kW；出水流道采用直管形式，总长17.6 m。

某单向引水泵站运行特征水位见表1。

表1 某单向引水泵站运行特征水位 m

2 计算模型及数值计算

2.1 三维建模及控制参数

该单向卧式引水泵站采用直管式出水流道，叶轮直径为3 300 mm，单机设计流量33.3 m3/s，出水流道出口尺寸8 000 mm×6 006 mm(宽×高)。选取5个断面为渐变段结束位置。

计算区域包括进水延伸段、叶轮、导叶、出水流道、出水延伸段5部分，其实体造型图如图1所示。

图1 贯流泵出水流道实体造型图

2.2 数值计算方法及边界条件

本文基于大型商用软件ANASYS CFX数值计算，基于不可压缩流体的连续性方程和雷诺时均N-S方程，忽略热交换，湍流模型采用RNGk-ε模型，采用有限体积法求解，计算格式为高阶迎风，收敛精度为10-4。将进水延伸段进口作为整个计算域的进口，进口边界条件采用质量流，将出水延伸段出口作为整个计算域的出口，出口边界条件设置为一个标准大气压；在固体边壁处规定无滑移条件，近壁面采用标准壁面函数法处理，动静交界面采用冻结转子(Frozen Stator)模型，以保证交界面的连续性。

2.3 网格剖分

各计算部件在UG中进行参数化建模，然后导入Mesh中进行网格划分。采用六面体结构化网格对计算域进行网格划分，整个计算域y+值在30～500之间[8]，叶轮网格节点数为80.27 万个，导叶网格节点为106.98 万个，出水流道网格节点数为20.39 万个，经网格无关性计算，当总体网格数达到232 万个时，泵装置扬程和叶片扭矩波动值均小于1%，满足计算要求。

图2 计算网格示意图

3 研究方案设计

根据初步分析，影响直管式出水流道水力性能的主要参数有：渐变段长度L1，出水流道总长度L，出水出口断面宽度B，出口断面高度H等。因此设计13种典型出水流道进行对比分析，方案1～5的出水流道断面形状由圆变方，断面宽度在平面和立面方向均逐渐扩大；方案6～9在平面方向上断面宽度先扩大后保持不变，保证渐变段之后的流道宽度与出口断面宽度保持一致，而在立面方向的断面均匀扩大；方案10～13出水流道在平面与立面方向断面形状均先扩散后保持不变。各方案出水流道的尺寸见表2。

图3 出水流道研究方案设计参数图

表2 直管式出水流道设计参数表

4 结果与分析

4.1 出水流道内部流动特性分析

图4为方案1～13在设计流量(Q设=33.3 m3/s)工况下的出水流道内部流动特性，图5及图6分别为方案5在Q=0.75Q设(Q=24.975 m3/s)的小流量工况与Q=1.25Q设(Q=41.625 m3/s)的大流量工况下的出水流道内部流动特性。取各方案出水流道三维流线图及4个特征断面流速云图。

图4 出水流道三维流线图及速度云图方案(设计流量工况，方案1～13)

水流在叶轮旋转加速作用下具有一定的环量，水流流出叶轮进入导叶，导叶对环量具有一定的回收作用，但是导叶还不能完全回收环量，导致流道内水流呈螺旋状。由方案1～5可看出，在设计流量工况下，当渐变段较短时，水流来不及重新分布，导致出水流道中间断面水流流速分布不均匀，表现为一侧速度大，而另一侧速度略小一些，且靠近流道进口处流态紊乱，随着渐变段长度的增加，流态分布愈均匀，且断面流速分布明显改善。对比方案6～9可知，改变平面方向宽度时，流道内低速区有前移趋势，且流道内部存在脱流，随着渐变段长度增加，流态改善明显；而对比方案10～13可知，渐变段长度较短时，流道内存在大面积脱流，靠近流道进口处断面上低速区范围变大，流速分布非常不均匀。其中，方案5最好。对比图4、图5和图6中方案5的出水流道三维流线图与特征断面流速云图可知，在3种不同流量工况下，出水流道内流态均平顺稳定，流速分布均匀。

图5 出水流道三维流线图及速度云图(小流量工况，方案5)

图6 出水流道三维流线图及速度云图(大流量工况，方案5)

4.2 出水流道各断面水力指标评判

为了分析直管式出水流道断面流态，引入出水流道压力恢复系数ζ反映出水流道对压能的回收情况并计算各方案下出水流道水力损失，各计算公式如下：

(1)

(2)

式中：ζ为出水流道压力恢复系数；E压为出水流道出口压能，m；E进为出水流道进口压能，m；hf为水力损失；P为出水流道进口断面1-1与出水流道出口断面2-2的总压之差；ρ为流体密度；g为重力加速度。

计算了各方案下贯流泵出水流道水力损失以及出口断面压力恢复系数,计算结果如图7所示。

由图7可知，在设计流量工况下，各方案出水流道随着渐变段长度增加，水力损失逐渐减小，而出水流道压力恢复系数随渐变段长度的增加而增大，出水流道回收动能的能力越强，均达到97%以上；当不同形式下的渐变段处于同一位置时，越靠近进口处，出水流道水力损失相差越大，最大相差约16.95 cm，压力恢复系数相差约1.5%，其中方案5水力损失最小为9.26 cm，且流道压力恢复系数达到最高为98.81%。

图7 出水流道计算结果图(设计流量工况，方案1～13)

如图8所示，计算了方案5在3种流量工况下的水力损失以及出口断面压力恢复系数。随着流量的增加，出水流道水力损失逐渐增大，而出口断面压力恢复系数逐渐减小。

5 结 论

(1)出水流道当断面形状设计为圆变方，在平面方向和立面方向均逐渐扩大的形式时，流道内流态最好；将出水流道断面在平面方向设计为先扩散后平直，而在立面方向均匀扩大的形式时，流态较好，而将断面在立面与平面方向均设计成先扩散后平直时，出水流道流态最差。

(2)同一形式下的出水流道随着渐变段长度的增加，水力损失减小，流道压力恢复系数增大，且流道内水流流态得到明显改善。

图8 出水流道计算结果图(3种流量工况，方案5)

(3)在3种不同流量工况下，方案5出水流道内的流态都平顺稳定，流速分布均匀。

□