陳仕貝

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

科學(xué)研究及工程設(shè)計

CFD技術(shù)在汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶塔崗圍南港排澇泵站流道優(yōu)化的應(yīng)用

陳仕貝

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

在防洪泵站中，出水流道是非常重要的組成部分，水力特性對泵站的運行安全以及泵站的裝置效率影響非常大，如果設(shè)計不合理，會出現(xiàn)尾渦、回流等二次流，造成水力損失，因此合理地進(jìn)行出水流道設(shè)計至關(guān)重要。本文首先對CFD技術(shù)進(jìn)行了介紹，然后結(jié)合工程具體情況，對采用CFD技術(shù)對泵站流道優(yōu)化做了探討，并提出了優(yōu)化措施。

CFD技術(shù)；排澇泵站；流道優(yōu)化

在對排澇泵站流道進(jìn)行優(yōu)化時，泵站流道內(nèi)部流態(tài)較復(fù)雜，所以使用原型觀測或模型試驗方法檢測周期長、檢測費用也較高。在進(jìn)行設(shè)計時，常規(guī)采用水力損失分段計算的方法來預(yù)測流道的水力特性，但是這種方法預(yù)測準(zhǔn)確度較低，無法進(jìn)行多方案優(yōu)化對比。隨著數(shù)值計算方法和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)在排澇泵站流道優(yōu)化中的應(yīng)用日益廣泛，通過利用CFD技術(shù)可以模擬泵站不同方案下流道內(nèi)部的流動情況，并分析數(shù)值模擬結(jié)果，預(yù)測流道水力性能，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。

1 CFD技術(shù)介紹

CFD 技術(shù)，是利用數(shù)值方法將流場的控制方程離散到一系列網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，并將離散數(shù)值解計算出來。所有流體流動都遵循能量守恒定律、動量守恒定律、質(zhì)量守恒定律?？梢苑謩e將能量方程、動量方程、連續(xù)性方程導(dǎo)出，然后得到納維爾-斯托克斯偏微分方程組，該方程組包括了流體流動過程中遵守的所有規(guī)律。在守衡方程組的基礎(chǔ)上，將流體流動的初始條件、邊界條件以及特殊性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型反映出來，進(jìn)而組成封閉方程組來對流體和特定流場的流動規(guī)律進(jìn)行描述。

一般來說，流場控制方程組主要包括三種類型，分別為拋物型、橢圓型、雙曲型偏微分方程組，從物理學(xué)的角度來說，橢圓型方程與時間變量沒有關(guān)系，只與空間變量二次導(dǎo)數(shù)項有一定的關(guān)系。通常用來對定常情況下的控制方程進(jìn)行描述。雙曲型方程和拋物型方程不僅與空間變量導(dǎo)數(shù)有一定的關(guān)系，而且與時間變量的一階導(dǎo)數(shù)項和二階導(dǎo)數(shù)項相關(guān)，可以用于對非定常情況下的控制方程進(jìn)行描述。在進(jìn)行CFD數(shù)值求解時，常用的方法主要有：有限元分析法、有限容積法、有限差分法、邊界元法、譜分析法、數(shù)值積分變換法、格子-Boltzmann法等；雖然后面的幾種方法近年來發(fā)展較快，而且已解決了一部分問題，但是，從方法實施的難易程度、成熟程度和應(yīng)用廣泛性的角度來說，有限元法和有限容積法最具優(yōu)勢。雖然數(shù)學(xué)上針對不同類型的方程，已經(jīng)發(fā)展出不同的收斂算法和穩(wěn)定算法，但是針對雙曲型方程和拋物型方程一般都使用有限容積法，而對于橢圓型方程則建議使用有限元法。當(dāng)前大型商業(yè)化CDF軟件中只有FIDAP是采用有限元法的，而PHOENICS、CFX、STAR-CD、FLUENT等都使用有限容積法進(jìn)行計算。CFD技術(shù)近幾年的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

a. 網(wǎng)格形態(tài)從過去規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格逐步發(fā)展成更具靈活性的四面體、三角形和多邊形等非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，具有更強(qiáng)的適用性[1]。

b. 利用解微分方程或代數(shù)變換的方法進(jìn)行構(gòu)造，確保坐標(biāo)曲面和求解域邊界重合。雖然求解域在物理空間內(nèi)形狀比較復(fù)雜，但是經(jīng)過變換后空間內(nèi)為規(guī)則的圓柱體或長方體。

c. 網(wǎng)絡(luò)單元間距劃分達(dá)到了自適應(yīng)化，并根據(jù)問題物理量的變化梯度對分布網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，提升解題的效率和精度[2]。與此同時可以實現(xiàn)局部加密精度，使局部分辨率提升，從而更好地對流動機(jī)理和流動現(xiàn)象進(jìn)行捕捉。

d. 可以將網(wǎng)格劃分成各種不同的結(jié)構(gòu)塊，可實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)塊數(shù)據(jù)的交換和通信，有規(guī)則地對復(fù)雜外形進(jìn)行劃分，從而適用于各種復(fù)雜的幾何形狀。

e. 在線附近、間斷面或者計算不穩(wěn)定的情況下，可采用自動人工黏性計算，可獲得穩(wěn)定、平滑的數(shù)值解。

f. CFD程序設(shè)計逐步實用化。主要包括各類冰箱計算設(shè)計方法和各面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想[3]。例如進(jìn)行共享內(nèi)存的多CPU并行計算、分區(qū)并行計算，進(jìn)行工作站集群方式的大規(guī)模計算、分布式內(nèi)存大規(guī)模計算。

g. 可使用多重網(wǎng)格加速的方法來提升收斂的穩(wěn)定性以及收斂的速度。當(dāng)前，CFD實際應(yīng)用主要有三種方法。一是使用CFD程序的設(shè)計思想，可讓用戶根據(jù)具體的問題進(jìn)行分析和編程，具有程序?qū)I(yè)性強(qiáng)、施工成本低、施工規(guī)模小等優(yōu)點，缺點是要求企業(yè)有專業(yè)人才，會增加工作量，軟件通用性比較差，而且需要花費較長的時間來完成，適用于開發(fā)能力比較強(qiáng)的行業(yè)研究所。二是根據(jù)企業(yè)自身特點，科學(xué)地選擇商業(yè)流體分析軟件[4]。這種方法具有較強(qiáng)的針對性，軟件具有較強(qiáng)的通用性，可以將所有的物理模型、算法與建模、網(wǎng)絡(luò)劃分、解算后處理結(jié)合到一個軟件包中，使用起來比較方便，可以用于解算各種復(fù)雜的幾何形體。但是這種方法對企業(yè)的技術(shù)力量和經(jīng)濟(jì)實力要求比較高，一般適用于常使用CFD技術(shù)來解決問題的大型企業(yè)。三是企業(yè)委托專門的CFD單位，利用專業(yè)的商業(yè)軟件和專門的人才來完成任務(wù)。這種方法分工明確、專業(yè)靈活，投入人力小，適合我國大多數(shù)企業(yè)[5]。通過使用CFD技術(shù)可以幫助人們實現(xiàn)流動相關(guān)的計算，可完成基礎(chǔ)設(shè)計工作，并優(yōu)化參數(shù)的優(yōu)擇。

2 工程概況

汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶新津河、外砂河河口治理及綜合開發(fā)工程處在汕頭市韓江三角洲網(wǎng)河出海口門區(qū)域，工程分為三片：汕頭港防砂堤—新津河口、新津河口—外砂河口、外砂河口—萊蕪島。塔崗圍南港排澇泵站(以下簡稱排澇站)主要負(fù)責(zé)外砂河口—萊蕪島片排澇。排澇站內(nèi)安裝3臺立式軸流泵組，水泵型號為1600ZLB-3，單泵設(shè)計流量為8.70m3/s，泵站排澇總流量為25m3/s，設(shè)計揚程2.11m，最大揚程4.30m，水泵轉(zhuǎn)速250r/min，電機(jī)型號為TL450-24/1730，額定電壓10kV，電機(jī)額定容量450kW。排澇站廠房為濕式半地下廠房，電機(jī)安裝高程為4.00m，水泵安裝高程為-3.00m(葉輪中心線高程)。當(dāng)外水位低于內(nèi)水位時利用水泵下部矩形流道自流排水，當(dāng)外水位高于內(nèi)水位時利用水泵排水。排澇站進(jìn)出水池特征參數(shù)見表1。

表1 排澇站進(jìn)出水池特征參數(shù)

3 CFD技術(shù)的應(yīng)用

由于防洪泵站所處地區(qū)地勢比較復(fù)雜，地理環(huán)境也比較特殊，為了設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理的出水流道，保證流動穩(wěn)定性，降低水力損失，共計算了兩個方案。

方案一和方案二計算模型如圖1和圖2所示。其中方案二是對方案一前池加一隔斷墻，其他不變。

圖1 方案一計算物理模型

圖2 方案二計算物理模型

為了計算結(jié)果的可比性，劃分網(wǎng)格時，方案二的前池采用與方案一相同的策略，其他部分仍用方案一的網(wǎng)格。性能預(yù)測和內(nèi)部流場計算如下。

3.1 性能預(yù)測

求解器型號為ANSYS-CFX 12.0，定常求解，計算選用Standard k-epsilon湍流模型，收斂精度為1×10-4，進(jìn)口為總壓，出口為質(zhì)量流量[6]。對設(shè)計流量Q0=8m3/s(即1.0Q0)及0.9Q0、1.1Q0共三個流量進(jìn)行了計算，計算得到的性能參數(shù)見表2。

表2 CFD分析得到的性能參數(shù)

3.2 內(nèi)部流場

為了更清楚地了解該泵站內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)，取Q=0.9Q0=7.2m3/s、設(shè)計流量Q0=8m3/s和Q=1.1Q0=8.9m3/s三種情況的內(nèi)部流場，進(jìn)行了匯總對比，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)計流量Q0=8m3/s時，方案一、方案二計算得到的揚程分別為2.48m、2.50m，兩者基本相同，均滿足設(shè)計要求；水力效率為87.57%、87.67%，也基本相同。在Q=0.9Q0=7.2m3/s時，方案一的揚程和效率均略高于方案二，在Q=1.1Q0=8.8m3/s時，方案一的揚程和效率均略低于方案二，這說明方案二前池增加的隔斷墻，有助于改善大流量的流態(tài)，但對小流量的流態(tài)有不利影響。

從實際情況來看，泵內(nèi)部流態(tài)較好，前池部分(從進(jìn)水方向看，主要是泵軸中心線前方)，無論是方案一還是方案二都有較明顯的漩渦。為了解決這一問題，考慮設(shè)置隔斷墻。通過設(shè)置隔斷墻不僅可以有效阻礙水順暢地進(jìn)入喇叭口，而且可以消除一些較大尺度的漩渦，這可能是因為它對小流量有不利影響，但是可以改善大流量的原因。綜上所述，在充分考慮泵站一般在設(shè)計點及大流量點之間運行，建議用隔斷墻。

4 應(yīng)用效果

汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶塔崗圍南港排澇泵站流道經(jīng)過上述分析后，設(shè)計采用隔斷墻進(jìn)行流道的優(yōu)化。在增加隔斷墻以后，排澇泵站流態(tài)得到了顯著的改善，在作業(yè)現(xiàn)場對機(jī)組進(jìn)行調(diào)試的過程中，機(jī)組運行平穩(wěn)，取得了良好的優(yōu)化效果。

5 結(jié) 語

綜上所述，在汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶塔鋼圍南港灣泵站流道優(yōu)化中應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬得出可以有效減少出水流道的開發(fā)周期，可提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證設(shè)計質(zhì)量的結(jié)論。方案二增加隔斷墻以后，對流態(tài)改善明顯，現(xiàn)場調(diào)試時，機(jī)組運行平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在計算機(jī)技術(shù)和計算流體力學(xué)的不斷發(fā)展下，CFD技術(shù)可彌補(bǔ)常規(guī)方法試驗周期長、試驗費用高的不足，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

[1] 陸林廣，劉麗君.泵站出水流道基本流態(tài)分析[J].水利學(xué)報，2000(3)：69-76.

[2] 陸林廣.泵站進(jìn)水流道設(shè)計理論的新進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001(1)：40-45.

[3] 成立，劉超，謝衛(wèi)東，等.大型泵站肘形彎管進(jìn)水流道數(shù)值優(yōu)化研究[J].排灌機(jī)械，2002(6)：19-22.

[4] 王業(yè)明，陸林廣，譚建榮.泵站肘形流道流場可視化與仿真系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2002(6)：56-59.

[5] 朱榮生，李維斌，吳春篤.諫壁泵站出水流道的CFD分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2004(12)：101-102.

[6] 付強(qiáng).淺談武漢市楊泗港泵站節(jié)能降耗工作[J].中國水能及電氣化，2014(4)：39-41.

Applying CFD Technology to Optimization of Water Drainage Pump Station Runner in Tagangwei South Harbor, East City Economic Belt, Shantou

CHEN Shibei

(GuangzhouProvincialInstituteofWaterConservancyandPowerSurvey,Guangzhou510635,China)

In flood-control pump station, discharging runner is an import ingredient. Hydraulic characteristics have big impacts on secured operation and installation efficiency of pump station. Unreasonable designing would lead to trailing vortex, backflow and other secondary flow and cause hydraulic loss, so reasonable implementation of designing of discharging runner is quite important. This article starts by introducing CDF technology, then by combining with specific condition of the project, it probes into optimization of runner in pump station by use of CFD technology.

CFD technology; water drainage pump; runner optimization

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.017

TV222.2

A

1673-8241(2017)05- 0046- 04