大寨河闸站立式双向流道轴流泵装置CFD分析

赵振江， 石 磊， 蒋红樱， 汤方平， 卜 舸

(1.泗洪县水利局， 江苏 宿迁 223900； 2.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司， 江苏 南京 210029；3.扬州大学 水利科学与工程学院， 江苏 扬州 225009； 4.江苏省水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 扬州 225009)

水泵站作为我国水利设施的重要组成部分，在工农业生产生活中应用广泛。随着我国现代化建设的不断加快，针对我国水资源分布时空不均以及旱涝灾害频繁等特点，水泵站在跨区域调水、防洪排涝以及改善生态环境等方面发挥着关键作用，为现代化建设做出巨大的贡献[1-2]。

由于江苏地处于长江和淮河流域，降雨时空分布不均、旱涝交替发生，为保障农业生活生产，抵抗洪涝灾害以及促进经济快速发展在江苏境内分布着众多灌排泵站[3-5]。这些泵站具有扬程低、流量大以及年利用小时数高等特点，所以多采用轴流泵站型式。箱涵式双向流道泵站是我国一种新型排灌结合的泵站型式。双向流道泵站具有双向抽水功能，既能满足灌溉需要也能满足排涝需求。

目前双向流道轴流泵站在江苏境内应用较为广泛，本文针对江苏境内大寨河大型立式双向流道轴流泵站开展内流及外特性分析，旨在为类似泵站工程实践提供参考。

1 工程概况

大寨河闸站工程位于新濉河右堤、大寨河入新濉河口门处，其主要功能是汛期向外河排涝，平时向内河引水用于改善城区水环境，因此需双向引排。大寨河闸站工程选用 4 台立式轴流泵机组，配500 kW立式异步电机 4 台套，主水泵叶轮直径1 600 mm，转速245 rpm，泵站引水工况设计流量为7.3 m3/s，泵站排涝工况设计流量为29.1 m3/s，总装机容量2 000 kW。泵站的特征水位、特征扬程及规划设计流量见表1。

表1 大寨河闸站工程设计参数

大寨河泵站采用“ X”型双层箱涵式进出水流道，其中1#、2#机组为双向运行，3#、4#机组为单向运行，机组采用快速闸门断流方式。1#、2#机组站身结构图如图1所示。

2 数值模拟基本理论

泵叶轮内部流动是三维非定常紊流流动，但是在水泵稳定运行(转速恒定)后可认为叶轮相对运行是定常流动。控制方程的离散采用基于有限元的有限体积法。扩散项和压力梯度采用有限元函数表示，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，克服了传统SIMPLE系列算法需要“假设压力项—求解—修正压力项”的反复迭代过程，同时引入代数多重网格技术，提高了求解的稳定性和计算速度。

3 计算模型及数值模拟

3.1 三维建模及控制参数

大闸河闸站泵站机组采用立式轴流泵型式，水泵型号为1600ZLBK7.3-3.1，叶轮直径1.60 m，转速245 r/min，单机流量7.3 m3/s，配套电机500 kW。进、出水流道为双层箱涵式双向流道，其中，进水流道进口与出水流道出口尺寸一致，为5 000 mm×2 400 mm(宽×高)；进水喇叭口直径为2 480 mm，进水喇叭口悬空高为1 230 mm；出水喇叭口直径为2 760 mm，出水喇叭口距出水流道顶板距离为600 mm。双向机组1#和2#之间设置隔墩分隔，隔墩厚1 000 mm。

根据大寨河闸站的水位资料以及站身平、剖面图，建立进、出水流道的三维实体模型，其中计算区域包括进水延伸段、进水流道、叶轮、导叶、出水流道、出水延伸段6个部分，大寨河闸站双向流道机组泵装置计算区域如图2所示。

3.2 数值计算方法及边界条件

泵装置内部流动介质为水体，假设水体为三维不可压缩流体，其流动为三维非定常黏性流动，采用雷诺时均Navier-Stokes方程描述其流动规律[6-7]。为了解决N-S方程平均化过程中方程不封闭问题，引入湍流模型来简化计算、封闭方程是必要的。本文湍流模型采用SST k-ω模型，因为基于SST模型的k-ω方程考虑了湍流剪切应力的传输，可以精确地预测流动的开始和负压力梯度条件下流体的分离量[8-9]。同时，SST模型的最大优点就在于考虑了湍流剪切应力，从而不会对涡流黏度造成过度预测。

图1 大寨河闸站1#、2#机组(双向)站身结构示意图

注：1.进水延伸段 2.进水流道 3.叶轮与导叶 4.出水流道 5.出水延伸段 6.导水锥 7.喇叭管图2 大寨河闸站双向流道泵装置计算区域示意图

由于泵装置内部包含旋转的叶轮以及静止的导叶和进出水流道，所以为了保证交界面的连续性，针对转动的叶轮与进水流道以及导叶的交接面采用多参考系模型处理动静交界面进行处理，其他界面均设置为静止壁面，采用无滑移边界条件，在近壁区采用壁面函数。

为了更好地模拟泵装置内部流动，在进水流道进口前加设一段延长段，以进水延长段进口作为整体计算域进口，采用总压进口条件，总压设置为1 atm。同样地，在出水流道出水后加设一段延长段，以出水延长段出口作为整体计算域的出口，出口边界条件设置为质量出流，给定出口边界上的体积流量为设计流量Qd=7.3 m3/s。

3.3 网格剖分

采用ANSYS ICEM软件对进水流道、出水流道进行网格剖分，采用ANSYS TurboGrid软件对叶轮和导叶体进行网格剖分。由于进出水流道内部存在不规则的喇叭管和导水锥，所以进出水流道内网格为混合网格，叶轮和导叶内网格为结构化六面体网格。最终，整体计算域网格为453万。大寨河闸站泵装置计算域网格划分如图3所示。

4 数值模拟结果及分析

4.1 大寨河闸站泵装置进水流道泵装置内流场分析

图3 大寨河闸站双向流道泵装置计算域网格划分示意图

(1)

(2)

式中：uti为断面各单元横向速度；uai为断面各单元轴向速度。

图4 大寨河闸站双向流道泵装置进水流道纵剖面流线及静压云图

图4为大寨河闸站双向流道泵装置进水流道纵剖面流线及静压云图。由图可知，进水流道进口端流线较为平顺，纵剖面静压变化较为均匀。由于进水流道沿水流方向末端为封闭端，同时末端水流受到水泵吸水作用，所以进水流道末端存在较大的回流区。

4.2 大寨河闸站泵装置出水流道泵装置内流场分析

图5为大寨河闸站双向流道泵装置出水流道纵剖面流线及静压云图，图6为大寨河闸站双向流道泵装置出水流道水平剖面(距顶板0.25 m)流线及静压云图。由图5、图6可知，水流经出水喇叭管后受到出水流道导水锥分流作用分别向出水流道两端流动。由于导叶对速度环量回收不完全，所以出水流道内水较紊乱，导水锥两侧均存在回流。从静压云图上看，除导水锥头部存在低压区外，出水流道内整体静压分布较均匀。

4.3 大寨河闸站泵装置水力特性

图7为大寨河闸站双向流道泵装置内部流线图。由图可知，泵装置内部整体流态良好，不良流态主要存在于进出水流道的封闭端。由于进水流道喇叭管正下方设置导水锥，所以进水流道内水流受到导水锥整流作用明显，入泵水流流态较好。出水流道内出口端水流呈螺旋状，主要由于速度剩余环量的影响，但是出水流道出口端长度较长，所以对水流由很好整流作用。相较出口端水流流态，出水流道封闭端流态较紊乱。

图5 大寨河闸站双向流道泵装置出水流道纵剖面流线及静压云图

图6 大寨河闸站双向流道泵装置出水流道水平剖面(距顶板0.25 m)流线及静压云图

图7 大寨河闸站双向流道泵装置内部流线图

图8为大寨河闸站双向流道泵装置性能曲线图。由图可知，大寨河闸站双向流道泵装置整体效率较优，叶片角度为0°时，设计流量(Qd=7.3 m3/s)工况下，泵装置效率为73.5%，装置扬程为3.75 m。

图8 大寨河闸站双向流道泵装置性能曲线图

4 结 语

(1)通过数值模拟结果可知，大寨河闸站进水流道水力性能较优，水泵入流条件较好；出水流道内水流流态受到速度环量影响，呈螺旋状；进出水流道内流态整体较好，在流道封闭端流态稍紊乱。

(2)大寨河闸站双向流道泵装置性能较优，叶片角度为0°时，设计流量工况下，泵装置效率为73.5%，装置扬程为3.75 m，满足泵站设计要求。