立式轴流泵直管式出水流道CFD水力设计研究

张志彪，吴圣贤

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230000)

随着城镇化进程的加快和经济社会的发展，区域现状排涝设施的排水标准和排水能力不足，致使这些区域遭遇短历时强降雨因排水不及时而内涝严重，严重影响区域经济社会的可持续发展，需要新扩建或拆除重建现有排水泵站工程，提高排涝减灾能力[1]。前池、进水流道和出水流道作为泵站的主要组成部分，此前其结构设计与水力设计往往依靠经验，仅少数重要的大型泵站中会采用模型试验辅助设计，虽能精确地得到各种设计所需数据，但模型试验耗时长、费用高，很难在工程设计中被广泛推广。

随着计算机技术的发展，计算流体力学CFD仿真技术凭借其成本低、速度快且可模拟各种工况等优点，目前正越来越多地被应用于泵站水力优化设计中，并取得了良好效果。周亚军等运用CFD模拟了水闸及通航建筑物水流运动过程，并优化了竖井贯流泵装置进出水流道[2]。张亚等运用CFD技术优化了虹吸式出水流道设计方案，绘制了对应流量—扬程、流量—效率曲线[3]。顾春雨等采用CFD数值模拟对多机组泵站复合前池进行了水力优化设计[4]。杨帆等采用ICEM CFD数值计算和PIV流场测试，分析了隔墩对轴流泵直管式出水流道内流及脉动的影响及流动特性[5-6]。颜红勤等采用CFD技术分析了卧式泵站直管式出水流道内部流动特性及水力损失[7]。

文章采用CFD技术，对池州市天生湖一站出水流道三种结构设计方案进行了分析，并以水力损失最小为目标，通过分析三种方案的数值模拟结果，提出了较优的结构设计方案和水力设计计算方法供相关工程应用。

1 工程概述

天生湖一站位于池州市西郊的杏花村国家5A级旅游景区，属于“安徽省加快灾后水利薄弱环节建设实施方案”中排涝泵站建设内容，对保障区域居民及文化旅游区的财产安全和稳定健康意义重大。

本站为闸站结合式构造，进水流道前布设检修闸及拦污栅，采用潜水式立式轴流泵、钟型进水流道及直管式出水流道，压力水箱末端与排涝出水箱涵连接。本站设计排涝流量为17m3/s，设计装机4台1400ZDB-100A型潜水泵，配4台YQGN990-16型电动机，单机容量为355kW，总装机容量为1420kW，具有抽排功能。

根据GB 50265—2010《泵站设计规范》[8]，确定天生湖一站工程等别为Ⅲ等，前池、泵房、压力水箱、排涝出水涵等主要建筑物级别为3级。天生湖一站设计运行特征水位详见表1。

表1 天生湖一站设计运行特征水位 单位：m

2 三维数值计算

2.1 三维计算软件

计算流体动力学(CFD)是一门预测流体流动、化学反应、传热传质及相关物理现象的学科。将质量、动量、能量及组分质量守恒方程组离散为代数方程组，通过数值的方法求解代数方程组以获得流场解，是模型试验的有效补充，可以很大程度上缩短设计周期。

文章使用SolidWorks进行出水流道三维建模，使用SolidWorks Flow Simulation模块平台进行模型网格划分及求解。

2.2 控制方程与湍流模型

文章中CFD计算采用的控制方程为雷诺平均N-S方程，湍流模型为标准κ-ε湍流模型[9-12]。

(1)

雷诺平均N-S方程：

(2)

式中，ρ—密度；t—时间；ui(i=x，y，z)—速度沿i方向的分量；p—压力；v—运动黏性系数。

2.3 边界条件设置

(1)进口边界条件

进口设置在进水延伸段的进口端面处(图1)，采用质量流量进口条件。

图1 出水流道进出口边界及取压位置图

(2)出口边界条件

出口设置在出水延伸段的出口端面处(图2)，出口边界采用环境压力。

(3)壁面条件

壁面设置为绝热、无滑移壁面；近壁区采用壁面函数处理，壁面粗糙度为25μm。

3 出水流道CFD优化计算

3.1 模型建立与网格划分

将出水流道三维模型封闭后进行布尔运算得到流体计算域，将计算域通过有限体积法进行离散化即网格划分。网格数量及网格质量决定了数值计算的精度及可信度，本次数值模拟采用正交网格划分方法，以提高计算精度。计算域网格截面示意如图2所示。

图2 计算域网格截面示意图

3.2 方案设置

文章共设计三种出水流道布置方式，主要变化在于出水流道左侧倒角角度及尺寸、出水流道出口侧面夹角及尺寸。各参数含义如图3所示，各参数取值见表2。

图3 出水流道方案设置图

表2 三种方案尺寸参数表

3.3 水力性能计算依据

根据伯努利能量方程[13]引入水力损失△h的概念，即通过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，其计算式为

(3)

式中，E1—进口总能量；E2—出口处总能量；ρ—密度；g—重力加速度；u—流速；p—压力；Z—水头。

4 计算结果与分析

4.1 计算结果

通过对三种方案出水流道进行CFD计算，得到了出水流道内流场流线分布、速度矢量及静压云图，如图4～图6所示。

4.2 结果分析

从图4中可以看出，当水流进入出水流道后，由于结构面积突然扩大，流线向四周扩散，产生近似闭环的涡管，随着流道逐渐收缩整流，水流至出口位置时已较为均匀。三种方案流线的区别，主要体现在出水口左侧区域，由于方案1的出水口左右两侧夹角均较小，可以为出水水流提供更大的空间，因此方案1流线发展最充分、线型最好；方案2和方案3的流线形态较比方案1差，说明出水口左侧或右侧夹角的增大，一定程度上挤压了水流的发展空间，且方案3的流线略好于方案2，说明出水口左侧空间的大小对流线形态影响更大。

图4 出水流道流线图

从图5中可以看出，三种方案水流速度矢量无明显差异，水流流经泵时，流速达到最大，随着水流向四周扩散，流速迅速减小，当水流汇集到流道出口处时，伴随着断面尺寸的减小，流速逐渐增大。

图5 出水流道速度矢量图

从图6中可以看出，三种方案出水流道计算域各剖面静压分布均较为均匀，流道入口处静压较大，出口处静压逐渐减小，局部结构不规则处和尺寸突变位置伴有压力突变现象。

图6 出水流道静压云图

经监测出水流道进出口取压位置的总压，计算得出水流经三种方案出水流道的损失，方案1为0.181m，方案2为0.204m，方案3为0.192m。

5 结论

通过对三种出水流道设计方案的CFD数值模拟计算可知，方案1的流线线型最优，速度矢量变化规律及静压分布规律均较合理，且该方案的水力损失最小，因此，出水流道两侧夹角较小、出水流道空间布局更开阔的方案1为最优设计方案。

该立式轴流泵直管式出水流道的CFD仿真计算方法及结构布置形式，对类似工程具有一定的参考价值。

文章中CFD水利设计研究存在一定的不足，由于泵站受现场高程等因素限制，本次仿真计算未考虑出水流道高度的变化对内流场分布规律和水力损失的影响，值得进一步深入研究。