大扩散角进水流道水力诊断及优化

黄 幸，翟禹鑫，王为术，郭嘉伟，甄 娟

(1.江西大唐国际抚州发电有限责任公司，江西 抚州 344000；2.华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450045)

0 前 言

火力发电厂循环水进水流道由引水段、前池、吸水室构成，将循环水由冷却水塔引流至循环水泵进水口，并为循环水泵创造良好的进水条件。工程实践研究表明，循环水流道吸水室水力涡流和偏流，吸水口水力不均、进水条件差，导致循环水泵振动和气蚀破坏，危及电厂运行安全[1]。工程研究中常采用水力模型试验和数值模拟技术验证解决循环水流道循环水流道的水力问题。邱静等[2]和林洁等[3]分别采用物理模型法对进水流道水流流态进行了试验分析，并通过多种整流方案的对比分析，解决了电厂进水流道的实际工程问题。朱荣生等[4]通过CFD数值模拟分析了泵站出水流道的流场分布。Pullinger等[5]CFD研究了改善循环水流道内流动均匀性的方法，并与基于循环水流道1/10构建的风洞模型进行比较分析。Zhou等[6]采用标准k-ε湍流模型的数值模拟分析了循环流道进水池内的水流流态，评估了不同水池尺寸组合对流场的影响。董旭敏[7]采用数值模拟对簸箕形进水流道水力状况进行了分析，并提出了优化的水力设计方案。王雪丰[8]和陆伟刚等[9]分别对取水泵站前池水流运动规律进行了CFD研究分析，并提出了改进整流方案。田明[10]和Chuang等[11]分别采用数值模拟方法对进水流道进行了整流设计改造，研究了整流措施的实际效用。聂小棋[12]和李礼[13]分别通过模型试验法和数值模拟法对比分析了电站进水流道的流态分布，并其进行了整流优化。王晖等[14]和李锁庄等[15]分别研究分析了国内电厂进水流道的普遍布置形式与前池的整流方法。陶东等[16]基于Realizablek-ε湍流模型对进水流道的水流流态进行数值模拟，经实测数据对比与模型验证，Realizablek-ε湍流模型模拟精度高，可很好反映进水前池内流态分布。闫晓惠等[17]采用Realizablek-ε湍流模型结合VOF自由面追踪技术对溢洪道流进行了数值模拟，并经Realizablek-ε湍流模型与标准k-ε湍流模型的结果分析比较，证明了Realizablek-ε湍流模型更为准确。张盟盟等[18]通过多种湍流模型对比研究，发现对于有障碍物的室内流场，Realizablek-ε模型可以准确预测流态分布。吴建等[19]通过对比Realizablek-ε模型及物理模型试验结果，验证了Realizablek-ε模型在多孔绕流模型的计算中具有更高的精度。以上研究为本文的数值模型与流道优化等研究提供了充实可靠的理论依据。

国内江西某电厂循环水系统投运以来，部分循环水泵频繁出现振动，严重时发生水泵筒体螺栓断裂、导轴承偏磨等现象，多次对循泵进行加固、检修，改造效果表明循环泵振动未得到遏制。为掌握该进水流道水力特性，根治循环水泵振动问题，笔者查阅设计改造资料和现场勘测，采用数值模拟方法研究水泵振动受进水流道水力特性影响规律，为循环水泵振动问题解决优化提供参考。本次研究基于Realizablek-ε模型对进水流道流态进行数值计算，模型预测结果与实际观测的流态整体趋势一致，水泵周围的冲击水流分布与水泵的振动反馈保持一致。

1 数学模型

1.1 控制方程

数值模拟计算控制方程基于雷诺时均N-S方程，并采用Realizablek-ε模型使N-S方程得以封闭。Realizablek-ε模型包含更为准确的湍流粘度的替代公式，以及通过均方涡量脉动的精确方程推导出修正后的耗散率传递方程，并满足雷诺应力中某些的数学约束，提供更加接近真实的湍流计算。以上控制方程为水流道的模拟计算提供更加准确的理论基础。

(1)连续方程

(1)

式中，ui为i方向速度矢量；xi(i=1，2，3)为坐标轴。

(2)动量方程

(2)

式中，fi为沿i方向的质量力；ρ为液体的密度，kg/m3；p为压强，Pa；v为水的运动粘性系数，m2/s；vi为涡粘性系数。

(3)湍动能方程

(3)

式中，μ为动力粘性系数，Pa·s；μt为湍流粘性系数，Pa·s；k为湍流动能，m2/s2;ε为湍流耗散率，m2/s3;Gk表示平均速度梯度产生的湍流动能;Gb是由浮力产生的湍流动能;YM表示可压缩湍流中脉动膨胀对总耗散率的贡献；Sk为定义的源项。

(4)耗散率输送方程

(4)

(5)

式中，C2和C1ε为常量;σk和σε分别是k和ε的湍流普朗特数;Sε是定义的源项。

1.2 网格模型

该电厂配置两座自然通风冷却塔和两条循环水流道，进水流道于两冷却塔之间将循环水引至同一座循环水泵泵房，两条进水流道于泵房前各设有一个前池，每个前池后均分为3个吸水室，每个吸水室内各置有一个循环水泵。进水流道包括引水段、前池、吸水室3个部分，吸水室内置有循环水泵。根据循环水流道设计图纸以及现场勘测数据，利用SpaceClaim三维建模软件对循环水流道进行1∶1直接建模，混流泵部分由CFturbo专业叶轮及蜗壳设计软件完成参数化建模。模型对实际循环水流道所有特征完全还原，计算区域包括由冷却水塔下进水口至循环水泵出水口的循环水流道。循环水流道整体模型长为54.31 m，宽为40.46 m，高度为9.75 m；前池长为19.5 m，宽为7.48 m；前池进水口为两个长5 m，宽4 m的矩形。吸水室入口顶部有遮流板，池底有微小凹凸台面，吸水口为循环水泵喇叭口，喇叭口下方有三角形导流锥。如图1所示，面对来流方向，循环水泵从左至右依次为A泵、B泵、C泵，吸水室命名同理。

图1 循环水流道三维模型

循环水流道网格采用Fluent Meshing软件绘制生成，循环水道整体模型网格如图2所示，对循环水泵内及喇叭口处均设置网格局部加密，以用来捕捉更加复杂的湍流变化。对所有流体壁面设置边界层加密，用以捕捉流体贴壁运动变化趋势，循环水泵横向截面网格如图3所示。循环水流道远壁面区采用六面体结构化网格，边界以及流态剧烈变化处采用四面体非结构化网格，经网格无关性验证，原设计模型及优化后模型总网格数均约为4×106个。

图2 循环水流道整体网格

图3 循环水泵横向截面网格

1.3 边界条件

进水口条件采用质量流量入口，质量流量根据电厂三泵全开的实际工况进行设置，循环泵出口条件采用质量流量出口，壁面设置采用标准壁面函数，根据循环水流道实际情况，进水口顶部与前池顶部均为开放空间，气液交界面为自由液面。循环水泵内动叶处的流体域壁面采用旋转参考系运动，旋转速度根据水泵运行工况参数设置。

1.4 计算方法

模拟过程采用Fluent软件进行计算，以有限体积法进行控制求解，模型采用VOF多相流模型以及Realizablek-ε模型，压力速度耦合解法采用SIMPLE算法，迎风差分格式进行隐式求解。

2 模拟分析

2.1 整体流场分析

循环水流道不同淹深下速度矢量截面图如图4所示，特征截面取于淹深0.6、1.2、2 m处，该流层截面位于前池进水口中下部，为池底高流速区，水流冲击变化大，能够充分反映由前池到泵体喇叭口附近的水流水力特征以及水流形态。

由图4可以看出，循环水经上段弧形引水流道流入前池，因上段弧形水流道角度近直角，导致流道内单侧水流流速较高，且因前池长度过短以及流

图4 进水流道水平截面速度矢量

入扩散角过大，无法对冲入流体进行足够的缓冲，流体在前池内发展不充分、不均匀，存在偏流现象以及高流速区。进入吸水室的流体分布存在明显偏差，大量流体流入进水池后贴壁流动，吸水室单侧壁面水流速与水压过大，临近喇叭口处壁面流体脱壁流动形成旋流，进而导致循泵喇叭口周围水力分布不均。喇叭口位于池底1 m处，由图4c可知水流的偏流亦会影响泵体本身，淹深由深到浅，影响逐渐减小。

前池与吸水室纵向水流速度矢量截图如图5所示，由图5a与图5c可看出，因A、C流道处于两侧，且前池为不规范矩形导致前池有旋流，吸水室入口处水流纵向流态不均匀；由图5b可看出，前池因进水口流速过大，存在向上的旋流。A、B、C吸水室内5 m以上均存在旋流，其原因是吸水室入口上部遮流板导致存在死水区。

图5 各吸水室纵向截面速度矢量

2.2 喇叭口及泵体周围水力分析

循环水泵附近水流态分布如图6所示，A、B、C泵周围水流态均存在水力不均的现象，其中A、C泵侧尤为严重。循环水泵内水力状况如图7，泵内水流流态并无明显差异。

图7 循环水泵泵体横向截面速度矢量(有泵)

由图6可以看出，由于吸水室内水流未得到充

图6 循环水泵泵体横向截面速度矢量(无泵)

分发展扩散，流体贴壁流动导致A、C泵喇叭口附近水流存在较大流速差，两侧流体流态具有不对称性，近循环水道中心侧水流流速明显过大而流态较复杂，远侧水流流速则相对平缓。循环水泵进水条件的优劣取决于喇叭口附近的流体流态，喇叭口附近水流流速差异过大，流态分布不均，流体对喇叭口的径向作用力不均匀，导致水泵的进水条件较差。且此循环水泵仅在顶端与出水口有固定连接，喇叭口作为远端受水流影响的应力对泵体稳定运行的影响颇大。其中，A泵侧水流流态最不均匀，由下端开始的水力不均性流态近持续至泵体中部，A、C泵体上部流域中，近循环水道中心侧水流流态较之远侧相对复杂，B泵体两侧流态相较均匀对称。

泵体两侧流速分布如图8所示，考虑了泵的不同淹深下的流体速度变化情况，并对相同淹深下两侧流体速度进行对比分析。数据分别取于泵体两侧的y向直线段，0 m处为吸水室池底，8 m为液面高度，数据方位描述采用面对来流方向。

图8 循环水泵两侧速度曲线

如图8a所示，A泵两侧流体速度差异较大，喇叭口高度处(1 m)速度差异明显，直至筒体中部速度差异才有所减小。泵体右侧流体流速于4 m处发生剧烈变化，其原因是前池进水口高度以及吸水室入口上部遮流板的限制影响，左侧流体变化相较缓和。如图8b，B泵两侧流体差异较小，尤其是近喇叭口高度处，两侧水流流速几乎相等，但筒体中部两侧流体存在速度不对称性，泵右侧流速较高于左侧。如图8c，C泵两侧流体亦存在速度差异，与A泵流速分布趋势总体相似，前池内的偏流现象是造成A、C泵两侧流体速度差异程度不同的主要原因。

综上分析，前池过短、扩散角过大，无法缓和弧段进水流道的水流惯性离心力影响，流体无法得到充分发展而导致的水力不均性是产生流体偏流现象的主要原因，进而吸水室内流体分布不均乃至贴壁流动，而喇叭口及泵体周围流态的均匀性是影响水泵运行工况的重要因素，循环水泵进水条件差，泵体受力不均则会导致泵体振动、劳损。

2.3 整流优化

2.3.1 整流方案

为解决循环水泵的进水条件不佳、运行不稳定等问题，需对前池流道采取整流优化，使水流自由冲击的影响减小，强制改变水流流态，增加水流扩散分布，让流体在进入吸水室前得到较好的流态分布。经过对比分析，最终方案为：在前池中部修筑3道导流板，导流板垂直布置于池底，板厚0.4 m，高为5.0 m，两侧导流板长为4.5 m，为最佳导流长度，过长或过短均会导致流体再次贴壁，导流板与出水口截面距离1.5 m，导流板对称布置且最短距离相距2.6 m；中间导流板长4.0 m，以中心为原点逆时针旋转5°，与出水口截面距离0.8 m，中板非对称布置是因为冲入前池的流体受弧段流道的惯性离心力影响存在严重的偏流现象。优化方案前池模型俯视图如图9所示。

图9 导流板俯视示意(前池)

2.3.2 结果分析

优化后的整体流场速度矢量分布如图10所示，截面选取均与原设计流道结果保持一致。

由图10可以看出，整流后的流场变化显著，弧形引水段涌入的水流冲击在前池内的导流板上，流体流态分布不再集中于前池中部，来流边缘流体受导流板影响，加大了流入扩散角，使得原本撞击吸水室室间墩柱才得以分流的流体，提前在前池内完成扩散分布，有效避免了前池内的流态不均问题传递至更为封闭的吸水室内，经扩散后的两侧流体于A、C吸水室进口中部流入，避免了吸水室内流体贴壁流动的恶劣流态；中部流体原受惯性离心力的影响，在过短的前池内发生偏流，乃至冲击吸水室间墩柱，进而流体贴壁流动。导流板的微度倾斜布置阻止了这一流态问题的产生，使得中部流体于B吸水室正中部流入。三块导流板经设计计算布置，引水段流入的循环水流量三等分汇入三个吸水室内，改变了原吸水室间流量不均的水力问题，使得各循环水泵工作工况趋于相同。相较于未整流前，虽然前池长度依然过短，但经导流板进一步导流后，流体于前池内得到了较好的扩散分布。

图10 进水流道水平截面速度矢量

图11为整流后纵向水流速度矢量分布。可以看出吸水室内下部水流流态分布均匀，流速稳定，并无漩涡；受到吸水室入口上部遮流板的阻流影响，上部流体流态呈现出纵向大漩涡的趋势，不过流速很低且流域为死水区，对循环水泵以及喇叭口近无影响。前池部分流态相较复杂，流体受导流板影响，A、C泵侧前池流态分布多于流体汇入的中部趋于稳定，受矩形前池的影响，前池边缘存在死水区与漩涡。B泵前池纵向水流截面正位于中侧导流板，受导流板影响，深水层流域的流速分布均匀，流态稳定；浅水层流域由于吸水室入口遮流板影响存在低速漩涡且为死水区，对吸水室内水流流态近无影响。

图11 各吸水室纵向截面速度矢量

图12为循环水泵泵体横向截面速度矢量分布。可以看出，整流后循环水泵周围流场相较原流道工况更加稳定，由于吸水室无贴壁高速流体，喇叭口流态相对更加均匀，两侧流速差异微小；泵体周围流场受吸水口的影响均匀向下分布，泵顶浅水区为静水区，对泵体影响甚小。由于未对循环水泵设计修改，泵内流场情况与原流道工况一致。

图12 循环水泵泵体横向截面速度矢量(无泵)

图13为循环水泵两侧速度线。可以看出，由于吸水室内更为均匀的流态，且无贴壁高速流体，三泵的两侧流体流速在1 m(喇叭口处)流速差异很小，相较于原流道工况的巨大流速差异，水力环境有显著改善。流速差异随淹深逐渐变浅而增大，过了4 m处逐渐减小，此为前池过短且流体受引水段惯性离心力影响所致。

图13 循环水泵两侧速度线

由以上结果分析可知，经整流优化方案后，原流道模型存在的水力问题得到了很好的解决，由前池不规范引发的流体流态不均得到了改善，流体经导流在前池内完成扩散，避免了原流道工况水流冲壁贴壁的流态问题；喇叭口附近流速分布更加均匀，流态更加稳定，循环水泵周围流场得到显著改善，循环水泵进水条件有了明显优化。

3 结 论

通过对进水流道流体的模拟分析可以得到以下结论：

(1)针对循环水泵振动问题，采用CFD数值模拟对进水流道计算分析可以发现并解决其水力问题。通过建立精确的模型网格，采用更为真实的Realizablek-ε模型，研究分析进水流道的水力特性，并以此提出优化方案。

(2)原设计循环水流道前池为不规范矩形，扩散角过大且长度过短，流体无法得到充分发展扩散，流态存在严重偏流现象，吸水室内流体贴壁运动，造成喇叭口与泵体周遭水力不均，进水条件差且循环泵运行工况恶劣。

(3)针对水流偏流现象以及水力不均问题，采用在前池布置合适的导流板可削弱水流的高速偏流影响，引导水流扩散发展分布，避免了流体冲壁贴壁等水力问题，进水流道流态问题得到较好解决，并有效改善喇叭口进水条件与循环泵运行条件，解决了循环水泵振动的根源水力问题。