黃金軍 陳阿萍 劉榮華 黃燕華 李江

（1.常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院常州2130002.常州市城市防洪工程管理處常州213000 3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司淮安223005）

某泵站不同葉輪直徑進(jìn)水流道方案的數(shù)值計(jì)算

黃金軍1陳阿萍2劉榮華3黃燕華1李江1

（1.常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院常州2130002.常州市城市防洪工程管理處常州213000 3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司淮安223005）

采用數(shù)值計(jì)算的方法，利用Fluent流體力學(xué)分析軟件研究了某大型低揚(yáng)程立式泵站不同葉輪直徑進(jìn)水流道的基本流態(tài)，并將流道的水力損失進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：適當(dāng)增加葉輪直徑，可以明顯減少進(jìn)水流道損失，從而提升泵站的裝置效率。

進(jìn)水流道基本流態(tài)水力損失比較

1 引言

進(jìn)水流道是泵裝置的一個(gè)重要組成部分，進(jìn)水流道的水力性能對(duì)泵站的裝置效率有著重要的影響，對(duì)于低揚(yáng)程泵站尤為重要，本文借用某大型低揚(yáng)程立式泵站H站的有關(guān)參數(shù)，采用數(shù)值模擬方法，利用Fluent流體力學(xué)分析軟件對(duì)不同葉輪直徑進(jìn)水流道的水力性能進(jìn)行研究，對(duì)泵站水泵選型提供重要的參考依據(jù)。

2 關(guān)于進(jìn)水流道

與低揚(yáng)程立式泵配套使用的進(jìn)水流道一般有肘形、鐘形和簸箕形等形式。肘形進(jìn)水流道在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，在前蘇聯(lián)、日本等國也有較多的應(yīng)用；鐘形進(jìn)水流道在國內(nèi)有一些應(yīng)用，在日本的應(yīng)用較多；簸箕形進(jìn)水流道在國內(nèi)應(yīng)用較少，在荷蘭等歐洲國家應(yīng)用較多。

國家標(biāo)準(zhǔn)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50265-97）推薦大型泵站立式泵機(jī)組采用肘形進(jìn)水流道，如當(dāng)受地基條件限制不宜深挖方時(shí)，可采用鐘形進(jìn)水流道。

本文研究選擇水力性能最好、應(yīng)用最為廣泛的肘形進(jìn)水流道為對(duì)象，研究葉輪直徑對(duì)進(jìn)水流道水力損失的影響。

3 肘形進(jìn)水流道計(jì)算方案

本文借用H泵站的有關(guān)參數(shù)，確定了水泵葉輪直徑為D=3.0m、D=3.4m和D=3.6m3個(gè)研究方案，分別對(duì)與這3個(gè)葉輪直徑的水泵相配套的肘形進(jìn)水流道方案進(jìn)行了優(yōu)化水力計(jì)算。這3個(gè)肘形進(jìn)水流道方案的控制尺寸相同，但流道出口段的幾何形狀根據(jù)水泵葉輪室進(jìn)口的幾何尺寸做了相應(yīng)調(diào)整。經(jīng)過優(yōu)化的3個(gè)方案肘形進(jìn)水流道單線圖見圖1。

圖1 3個(gè)方案肘形進(jìn)水流道單線圖

4 進(jìn)水流道計(jì)算區(qū)域及邊界條件

為方便設(shè)置進(jìn)、出口邊界條件，沿進(jìn)水流道的進(jìn)、出口分別向外拉伸一定長度，這里可認(rèn)為是湍流的充分發(fā)展區(qū)域，因此進(jìn)水流道的數(shù)值計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水池、進(jìn)水流道和出口直管。進(jìn)水流道的取壓斷面分別設(shè)在距進(jìn)水流道有一定距離的進(jìn)水池內(nèi)和進(jìn)水流道的出口。進(jìn)水流道計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

進(jìn)水流道計(jì)算流場的進(jìn)口邊界設(shè)置在進(jìn)水池進(jìn)口處，進(jìn)口斷面為一垂直于水流方向的斷面。在這里，可認(rèn)為來流速度在整個(gè)斷面上均勻分布。計(jì)算流量可作為已知條件，故而進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口邊界條件。

為了準(zhǔn)確地應(yīng)用出口邊界條件，將計(jì)算流場從進(jìn)水流道出口沿水流方向等直徑延長，使計(jì)算流場的出口邊界設(shè)置在距進(jìn)水流道出口2倍圓管直徑處。這里的流動(dòng)是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。

進(jìn)水池的表面是自由水面，若忽略水面風(fēng)引起的切應(yīng)力與大氣層的熱交換，則自由面對(duì)速度和湍動(dòng)能均可視為對(duì)稱面處理。

進(jìn)水流道邊壁、前池底部及導(dǎo)流帽等處均為固壁，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理中對(duì)所有固壁處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了無滑移條件，而對(duì)緊靠固壁處節(jié)點(diǎn)的湍流特性，則應(yīng)用了所謂對(duì)數(shù)式固壁函數(shù)處理之，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

5 進(jìn)水流道計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分

生成網(wǎng)格是對(duì)流動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的重要一步，即要對(duì)空間上連續(xù)的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，把它劃分成許多個(gè)子區(qū)域，并確定每個(gè)子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。由于工程上所遇到的流動(dòng)問題大多發(fā)生在復(fù)雜區(qū)域內(nèi)，因而不規(guī)則區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的生成是計(jì)算流體力學(xué)中一個(gè)十分重要的研究領(lǐng)域。實(shí)際上，流動(dòng)問題數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最終的精度及計(jì)算過程的效率，主要取決于所生成的網(wǎng)格與所采用的算法。一個(gè)成功而高效的數(shù)值計(jì)算，只有在網(wǎng)格的生成及求解流場的算法這兩者之間有良好的匹配時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。

從總體上來說，計(jì)算流體力學(xué)所采用的網(wǎng)格大致分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩大類。

在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，每一節(jié)點(diǎn)與其鄰點(diǎn)之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系固定不變且隱含在所生成的網(wǎng)格中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)及控制容積的幾何信息必須加以存儲(chǔ)，但該節(jié)點(diǎn)的鄰點(diǎn)關(guān)系可以根據(jù)網(wǎng)格編號(hào)的規(guī)律自動(dòng)得出而不必專門存儲(chǔ)這類信息。一般數(shù)值計(jì)算中正交與非正交曲線坐標(biāo)系中生成的網(wǎng)格都是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。適體坐標(biāo)法是常用的生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方法，它主要有保角變換法、代數(shù)法、微分方程法。當(dāng)計(jì)算區(qū)域比較復(fù)雜，即使應(yīng)用網(wǎng)格生成技術(shù)也難以妥善地處理所求解的不規(guī)則區(qū)域時(shí)，可以采用塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在這種方法中，把整個(gè)求解區(qū)域分為若干個(gè)小塊，每一塊中均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，塊與塊之間可以是并接的，也可以是部分重疊的。這種網(wǎng)格生成方法既有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又不要求一條網(wǎng)格線貫穿在整個(gè)計(jì)算區(qū)域中，給處理不規(guī)則區(qū)域帶來了方便，目前應(yīng)用很廣。

在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，單元與節(jié)點(diǎn)的編號(hào)無固定規(guī)則遵循，除了每一單元及其節(jié)點(diǎn)的幾何信息必須存儲(chǔ)外，與該單元相鄰的那些單元的編號(hào)等也必須作為聯(lián)接關(guān)系的信息存儲(chǔ)起來，因此非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的存儲(chǔ)信息量比較大。生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方法主要?dú)w結(jié)為Delaunay三角形化方法和推進(jìn)陣面法兩大類。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格幾何靈活性優(yōu)越，對(duì)復(fù)雜外形具有良好的普遍適應(yīng)性，而且其隨機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)格的自適應(yīng)加密變得非常簡單。因此非結(jié)構(gòu)比網(wǎng)格自20世紀(jì)80年代以來在CFD中得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

對(duì)進(jìn)水流道采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)水池和出口直管采用混合網(wǎng)格cooper網(wǎng)格進(jìn)行延拓，具體網(wǎng)格剖分情況如圖2所示。

圖2 進(jìn)水流道計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分圖

表1 3個(gè)方案進(jìn)水流道數(shù)值計(jì)算結(jié)果表

6 進(jìn)水流道的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3個(gè)方案的進(jìn)水流道表面流場圖和分層流場圖分別見圖3、圖4。

圖3 各方案進(jìn)水流道表面流場圖

圖4 各方案進(jìn)水流道分層流場圖

從進(jìn)水流道流場圖可以看到：在流道的直線段內(nèi)，流態(tài)平順，流速逐漸增大；進(jìn)入流道彎曲段后，水流迅速轉(zhuǎn)向和加速，使得流道內(nèi)側(cè)流速明顯大于外側(cè)的流速；由于水流在作90°轉(zhuǎn)向的同時(shí)，伴隨著急劇的側(cè)向收縮，故此處并未產(chǎn)生脫流；在流道圓錐段內(nèi)，由于慣性力的強(qiáng)烈作用，較大的水流速度開始出現(xiàn)在流道外側(cè)壁附近，經(jīng)過圓錐段的短距離調(diào)整，在接近流道出口處，水流趨向于均勻分布和垂直于出口斷面。

從流場圖可以看出：隨著葉輪直徑的增大，進(jìn)水流道出口附近的流速明顯減小，這也是流道水力損失隨葉輪直徑的增加而減少的主要原因。

3個(gè)方案進(jìn)水流道的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表1，由計(jì)算結(jié)果可以看出：3個(gè)方案進(jìn)水流道出口斷面的均勻度和速度加權(quán)平均角度基本不變；進(jìn)水流道的水力損失接近于與葉輪直徑的4次方成反比。

7 結(jié)論

本文采用流道單獨(dú)研究的方法，對(duì)不同葉輪直徑的3個(gè)肘形進(jìn)水流道進(jìn)行了三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析，得到如下結(jié)論：

（1）在設(shè)計(jì)流量一定的條件下，選取較大的水泵葉輪直徑有利于減少進(jìn)水流道水力損失，進(jìn)而提高泵站裝置效率，泵裝置揚(yáng)程愈低，葉輪直徑的影響愈顯著；

（2）適當(dāng)加大水泵葉輪直徑，只需對(duì)進(jìn)水流道出口和出水流道進(jìn)口的形線作相應(yīng)調(diào)整，無需增加流道的控制尺寸，因此土建投資增加較少■