(蘇州市水利水務信息調(diào)度指揮中心，江蘇 蘇州 215011)

1 概 述

七浦塘江邊樞紐工程是兼具排澇、引水兩大功能的雙向運行泵站，設計總流量120m3/s，經(jīng)比較選用4臺立式軸流泵機組配開敞式進出水流道。該雙向運行的泵站運行時間長，運行工況的水力條件復雜，本文運用CFD模擬計算手段，優(yōu)化水泵裝置性能，實現(xiàn)泵站安全、穩(wěn)定、高效運行。

2 泵站基本參數(shù)及運行特點

2.1 泵站運行凈揚程

排澇工況：最高揚程3.69m，設計揚程2.64m，最低揚程0m；引水工況：最高揚程3.88m，設計揚程2.40m，最低揚程0m。

2.2 水泵特點

水泵單向轉(zhuǎn)動，通過進出水流道的閘門切換，形成引水和排澇不同方向的裝置水流流動。水泵葉輪直徑3.15m，轉(zhuǎn)速115.4r/min。

3 水泵裝置CFD優(yōu)化

驗證初擬進、出水流道型線合理性，并對流道型線、流道長寬高尺寸、出水流道隔墩位置、水泵導水形狀高度、進水喇叭管高度、出水擴散管及導水錐等進行水力性能優(yōu)化。

選擇適合泵站特征參數(shù)合適的水力模型，并通過對不同葉片數(shù)葉輪、導葉及不同進、出水結(jié)構組合的全流道泵裝置進行數(shù)值計算，優(yōu)化水泵進出水結(jié)構型式。

4 泵裝置的網(wǎng)格剖分及計算精度

泵裝置的網(wǎng)格剖分及計算精度是CFD模擬計算準確性的關鍵[1](泵裝置三維模型見圖1)。泵裝置計算區(qū)域的網(wǎng)格單元數(shù)共計3046835個，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)共計1279676個，其中四面體網(wǎng)格單元數(shù)2278663個、六面體網(wǎng)格單元數(shù)768172個(葉輪與導葉體的網(wǎng)絡見圖2)。各物理量的殘差收斂精度均設置為1.0×10-5，且揚程的變化趨于穩(wěn)定，即該工況下數(shù)值模擬結(jié)果滿足收斂要求。

圖1 優(yōu)化組合的泵裝置三維模型

圖2 葉輪與導葉體網(wǎng)格

5 水泵裝置優(yōu)化模擬計算

5.1 控制方程和紊流模型

此次計算采用“凍結(jié)轉(zhuǎn)子法”(frozen rotor)處理葉輪與進水流道、導葉之間動靜耦合流動的參數(shù)傳遞?？刂品匠痰碾x散采用基于有限元的有限體積方法。擴散項和壓力梯度用有限元函數(shù)表示，對流項采用高分辨率格式(high resolution scheme)。流場的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法，將動量方程和連續(xù)性方程耦合求解?？刂品匠滩捎美字Z平均N-S方程，紊流模型采用修正湍流黏度的RNGk-ε模型。

5.2 流道優(yōu)化計算要求

進水流道的出口斷面軸向速度分布均勻，保證葉輪進水的水流流態(tài)。要求進口軸向速度分布均勻度Vzu接近100%。

出水流道應很好地回收動能。

5.3 初擬進出水流道的主要控制尺寸

雙向進水流道進口斷面的尺寸為8.60m(寬)×5.20m(高)，進水流道總長度為35m，流道內(nèi)部凈高為4.40m，流道出口斷面直徑為3.00m。

出水流道的出口斷面尺寸為8.60m(寬)×4.20m(高)，出水流道總長為19.70m(從出水流道胸墻前緣算起)，流道內(nèi)部凈寬為8.60m，出水流道為開敞式出水池。

5.4 泵站進水流道的數(shù)值計算及優(yōu)化

5.4.1 優(yōu)化方案

雙向進水流道優(yōu)化重點是喇叭管的幾何尺寸及導水錐形狀。對喇叭管底部與進水流道底板頂高程的距離設置2種不同的方案：方案1是176cm，方案2是219cm(各方案進水流道單線圖見圖3)。

圖3 進水流道喇叭管及導水錐優(yōu)化單線

5.4.2 泵站進水流道的各方案水力性能比選

在設計流量Q=30m3/s時，方案2進水流道的水力損失比初設方案減小了9.35%，達到了進水流道優(yōu)化的目的，對數(shù)據(jù)進行擬合，得出方案2進水流道水力損失與流量的關系為Δh=0.0002Q2(進水流道3個方案的三維流場數(shù)值計算結(jié)果見圖4，各方案進水流道出口斷面的水力性能分析結(jié)果見圖5)。

圖4 不同方案進水流道水力損失

圖5不同方案進水流道出口斷面水力性能

從圖5可見方案2的進水流道軸向速度分布均勻度相比初設方案提高了2.8%，速度加權平均角提高了0.45°，表明了方案2達到了進水流道優(yōu)化的目的。

5.4.3 優(yōu)化后進水流道的內(nèi)流場分析

為進一步分析優(yōu)化后進水流道的內(nèi)部流動結(jié)構，選取3個特征工況(流量Q=18m3/s、30m3/s、39m3/s)(見圖6)。各工況時雙向進水流道內(nèi)流場的前部流線平順，在雙向進水流道的盲端處，流速很小，表現(xiàn)為運動緩慢的回流區(qū)。盲端側(cè)流態(tài)較差，有漩渦出現(xiàn)，但漩渦初生環(huán)量較小，能量積聚未達到形成渦帶的初生條件，因此該漩渦并不影響機組的正常運行。雙向進水流道可看作是后壁距很大的單向流道，因后壁距較大，故易形成死水區(qū)[2]。CFD計算還可以得到泵裝置內(nèi)流場的速度、靜壓分布信息，受篇幅限制，僅用流線圖來顯示[1]。

圖6 不同工況時雙向進水流道方案2的三維流線

5.5 泵站出水流道的數(shù)值計算及優(yōu)化

5.5.1 優(yōu)化方案

出水流道頂至喇叭管頂部高度是影響水流流態(tài)的關鍵部位。根據(jù)江蘇省水利動力工程重點實驗室的研究成果[3]，優(yōu)化后的喇叭管頂部至流道頂部高度宜為0.48D，喇叭管出口直徑宜為1.66D，喇叭管出口半徑與后導水錐等高處半徑差宜為0.43D，后導水錐頂部直徑宜為1.49D。

圖7 優(yōu)化前后的出水流道喇叭管及后導水錐單線(虛線為優(yōu)化前，實線為優(yōu)化后)

5.5.2 泵站出水流道的各方案水力性能比選

出水流道的水力性能受導葉體出口剩余環(huán)量的影響，為此對出水流道進水段與擴散導葉體的輪轂采用光滑過渡，對導水錐也進行相應修改，優(yōu)化考慮了出口剩余環(huán)量的大小，并將環(huán)量作為進口條件之一[4]。優(yōu)化前后的出水流道水力損失見圖8。

圖8 不同方案雙向出水流道水力損失

5.5.3 優(yōu)化后出水流道的內(nèi)流場分析

為分析優(yōu)化后雙向出水流道內(nèi)部流態(tài)，選取3個特征工況(流量Q=18m3/s、30m3/s、39m3/s)對雙向出水流道內(nèi)部流態(tài)進行分析(見圖9)。各工況時，水流從出水喇叭管出來后從四周匯入雙向出水流道內(nèi)部，部分水流進入出水流道的盲端形成回流區(qū)，并繞過出水喇叭管進入出水側(cè)，部分水流直接進入出水側(cè)，水流呈螺旋狀。出水流道出口斷面面積為36.12m2，在計算工況范圍(18m3/s

圖9 不同工況時雙向出水流道內(nèi)部三維流線

6 不同導葉體對泵裝置水力性能的影響

為進一步提高泵裝置的水力性能，對采用直導葉體和擴散導葉體的泵裝置，分別在葉片安放角0°時進行三維數(shù)值計算，并分析了其對泵裝置整體水力性能的影響(2種導葉體的三維模型見圖10)。

圖10 不同導葉體的三維模型

在計算的5個特征工況中，配擴散導葉體的泵裝置效率高于配直導葉體的泵裝置效率。采用擴散導葉既能較好地回收葉輪出口水流的旋轉(zhuǎn)動能，也可回收水流的軸向水流動能，將水流速度的動能更大化地轉(zhuǎn)化為壓能，可提高泵裝置的水力性能[6](2套泵裝置的流量-效率對比見圖11)

圖11 不同導葉體的泵裝置流量-效率對比

在上述數(shù)值計算的基礎上，對3個葉片安放角的泵裝置能量性能進行了預測(預測結(jié)果見圖12、圖13)。采用TJ04-ZL-23號水力模型，在葉片安放角0°，引水設計揚程時設計流量30m3/s，但在排水工況設計揚程時，流量未達到30m3/s；將葉片安放角定在+1.2°時，引水和排水工況在設計揚程時流量均可滿足要求。

圖12 不同安放角時泵裝置流量-揚程曲線

圖13 不同安放角時泵裝置流量-效率曲線

7 結(jié) 論

a. 在設計工況，優(yōu)化后的進水流道結(jié)構方案，使進水流道水力損失減少了9.35%，葉輪進口軸向速度分布均勻度提高了2.8%，速度加權平均角提高了0.45°；出水流道水力損失減少了18.85%。

b. 采用三維數(shù)值計算，分析了2種不同導葉體及出水流道的組合對泵裝置水力性能的影響，結(jié)果表明：采用擴散導葉體的泵裝置效率高于采用直導葉的。

c. 采用TJ04-ZL-23號水力模型，優(yōu)化后的原型泵裝置在排水設計工況(H=2.94m)，葉片安放角1.2°時泵站裝置效率為66.48%；在引水設計工況(H=2.71m)，葉片安放角1.2°時泵站裝置效率為67.02%。泵裝置效率均能滿足該站的要求。

[1] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社，2004.

[2] 陳玉璞.流體動力學[M].南京:河海大學出版社，1989.

[3] 楊帆,劉超,湯方平,等.大型立式軸流泵裝置流道內(nèi)部流動特性分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2011,42(5):39-43.

[4] 李忠,楊敏官,王春林.軸流泵葉輪出口流場實驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2009,40(9):94-97.

[5] 成立,劉超,湯方平,等.對稱翼型轉(zhuǎn)輪雙向泵裝置紊流數(shù)值模擬與性能預測[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2004,35(5):78-81.

[6] 劉超.水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2009.