王 強(qiáng)，林智康，袁 堯，陳玉龍，楊 帆

（1.常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 常州 213002；2. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；3. 江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210000；4. 常州市水利建設(shè)投資開(kāi)發(fā)有限公司，江蘇 常州 213000）

立式軸流泵站機(jī)組具有揚(yáng)程低、流量大、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、投資省和安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)灌溉、城市排澇及調(diào)水工程中[1]。針對(duì)軸流泵站機(jī)組水力特性和結(jié)構(gòu)性能的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量的研究工作并取得了不少的研究成果：許哲等[2]研究了泵裝置在正反向飛逸過(guò)渡過(guò)程的差異性,采用流體體積函數(shù)法分析上下游水氣兩相分布,利用力矩平衡方程推導(dǎo)葉輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,并結(jié)合熵產(chǎn)理論進(jìn)行分析；Li等[3]采用熵產(chǎn)理論探究了葉根間隙對(duì)軸流泵裝置機(jī)械耗散的影響；Yang等[4]結(jié)合物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了虹吸出水流道駝峰段流場(chǎng)和壓力波動(dòng)的變化規(guī)律；金海銀等[5]探究了箱涵式雙向立式泵裝置性能與導(dǎo)葉體對(duì)泵裝置效率的影響。隨著工程技術(shù)人員和科研人員對(duì)泵站裝置內(nèi)部流動(dòng)認(rèn)識(shí)的加深，泵裝置流道內(nèi)部流動(dòng)的分析應(yīng)考慮泵與流道內(nèi)流的相互作用，尤其是導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量對(duì)出水流道內(nèi)流場(chǎng)的影響[6-8]，學(xué)者們對(duì)泵裝置流道的研究更多地基于泵裝置全流道而非以往采用獨(dú)立的方法開(kāi)展研究，研究方法主要為模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，如：戴景等[9]采用數(shù)值模擬對(duì)劉老澗抽水站原型泵裝置水泵工況與水輪機(jī)工況進(jìn)行了全流場(chǎng)數(shù)值模擬以研究帶有簸箕型流道的大型具有反向發(fā)電功能泵站的水力性能；胡文竹等[10]采用數(shù)值模擬方法分析斜式軸流泵裝置流道內(nèi)部的流動(dòng)特性；李超[11]對(duì)立式軸流泵裝置的內(nèi)流特性進(jìn)行分析并對(duì)泵裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；劉超等[12]通過(guò)CFD軟件對(duì)設(shè)導(dǎo)流墩的雙向流道泵裝置內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得泵裝置內(nèi)部的三維流動(dòng)速度場(chǎng)，并預(yù)測(cè)了泵裝置的性能。參考以往學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，文章以魏村水利樞紐擴(kuò)容改建工程的單向立式軸流泵站為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)立式軸流泵裝置全流道進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，探究泵裝置進(jìn)出水流道的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律并預(yù)測(cè)泵裝置的能量性能，以期對(duì)采用相似結(jié)構(gòu)的泵裝置的穩(wěn)定運(yùn)行與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

1 工程概況

魏村水利樞紐是國(guó)家治太骨干工程湖西引排的主要工程之一，在區(qū)域乃至流域防洪、排澇、灌溉、航運(yùn)及水環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了重要作用，工程引水灌溉0.93萬(wàn)hm2，排澇面積133 km2。該水利樞紐擴(kuò)容改建工程由船閘、節(jié)制閘和泵站組成，泵站和節(jié)制閘采用閘站結(jié)合布置形式。泵站為大（2）型泵站，設(shè)計(jì)排水流量為160 m3/s，設(shè)計(jì)引水流量為60 m3/s，采用5臺(tái)套立式軸流泵機(jī)組，配2600kW立式同步電機(jī)，總裝機(jī)容量13000 kW，葉輪直徑為3100 mm，轉(zhuǎn)速為125 r/min，葉片角度采用液壓全調(diào)節(jié)方式，采3臺(tái)機(jī)組為雙向立式軸流泵機(jī)組，2臺(tái)機(jī)組為單向立式軸流泵機(jī)組。泵站運(yùn)行水位，見(jiàn)表1，其中泵裝置揚(yáng)程已考慮了攔污柵及門(mén)槽水力損失0.2m、流道出口水位雍高及過(guò)柵水力損失0.1m。魏村水利樞紐擴(kuò)容改建工程的單向立式軸流泵裝置的泵房剖面示意圖，泵房剖面圖,見(jiàn)圖1。

圖1 泵房剖面圖

表1 泵站運(yùn)行水位

2 計(jì)算模型及邊界條件

2.1 泵裝置模型與網(wǎng)格剖分

立式軸流泵裝置計(jì)算域包括箱涵式進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、蝸殼式出水流道、進(jìn)水流道的延伸段和出水流道的延伸段共6個(gè)部分，三維模型，見(jiàn)圖1。葉輪名義直徑為3150 mm，葉片安放角為0°，轉(zhuǎn)速為125 r/min，葉輪葉片數(shù)為3，導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為6。箱涵式進(jìn)水流道的導(dǎo)流錐進(jìn)口面直徑為1.355D（其中，D為葉輪名義直徑），進(jìn)口面寬度為2.903D、進(jìn)口面高度為1.387D，流道長(zhǎng)度為6.317D；蝸殼式出水流道的導(dǎo)流錐出口面直徑為1.935D、出水喇叭管出口面直徑為2.032D、出口面寬度為2.903D、出口面高度為1.419D，流道長(zhǎng)度為8.482D。根據(jù)各計(jì)算域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，葉輪、導(dǎo)葉體、箱涵式進(jìn)水流道和蝸殼式出水流道采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，前池和出水池采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，參考文獻(xiàn)[7]的研究方法并經(jīng)網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性分析，立式軸流泵裝置的網(wǎng)格數(shù)量為297萬(wàn)。

2.2 控制方程與邊界條件

當(dāng)流體經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)械中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，必須遵循相應(yīng)的物理規(guī)律，這些物理規(guī)律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律等。由于文章的研究對(duì)象為立式軸流泵裝置，工作介質(zhì)為水，可以采用不可壓縮假設(shè)，認(rèn)為水為不可壓縮流體。在對(duì)立式軸流泵裝置進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，由于忽略流體中的熱交換，故在三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算僅考慮質(zhì)量守恒定律與動(dòng)量守恒定律。泵裝置內(nèi)水流流動(dòng)為三維湍流流動(dòng)，該流動(dòng)可用連續(xù)性方程和N-S方程對(duì)湍流的瞬時(shí)運(yùn)行進(jìn)行表述，考慮湍流流動(dòng)的脈動(dòng)特性，目前在泵裝置內(nèi)流計(jì)算中廣泛采用了時(shí)均法，即把湍流運(yùn)行當(dāng)作是時(shí)間平均流動(dòng)和瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)的疊加。為了使方程組封閉，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型計(jì)算效率高的同時(shí)有良好的精度，在大量的研究和工程實(shí)際中廣泛使用[12-13]。立式軸流泵裝置的進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，設(shè)置于進(jìn)水流道的延伸段進(jìn)口面；出口采用自由出流邊界條件，設(shè)置于出水流道的延伸段出口面；葉輪、導(dǎo)葉體、箱涵式進(jìn)水流道、蝸殼式出水流道、進(jìn)水延伸段和出水延伸段的邊壁均設(shè)置為無(wú)滑移壁面；進(jìn)水延伸段及出水延伸段的表面為自由液面，忽略水面的風(fēng)所引起的切應(yīng)力及其與大氣層的熱交換，采用對(duì)稱(chēng)平面處理。立式軸流泵裝置的箱涵式進(jìn)水流道的雷諾數(shù)為1.513×107，蝸殼式出水流道的雷諾數(shù)為1.373×107，表明該泵裝置的進(jìn)出水流道內(nèi)的水流均處于阻力平方區(qū)。計(jì)算工況：設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.71m，流量為32m3/s；最高揚(yáng)程5.25m，流量為29.7 m3/s。

3 結(jié)果分析

箱涵式進(jìn)水流道的流場(chǎng)，見(jiàn)圖2，其中流道橫剖面的位置為0.5倍流道進(jìn)口高度，豎剖面的位置為流道喇叭管中心。箱涵式進(jìn)水流道內(nèi)部水流流動(dòng)可分為2個(gè)階段：①在流道內(nèi)從四周向喇叭管的匯集流動(dòng)階段；②水流進(jìn)入喇叭管后的流場(chǎng)調(diào)整階段。在匯集流動(dòng)階段，一部分水流從喇叭管前直接進(jìn)入喇叭管，一部分水流繞至兩側(cè)進(jìn)入喇叭管，還有一部分水流繞至蝸殼后部進(jìn)入喇叭管；箱涵式進(jìn)水流道后壁空間很大，在后壁處存在大范圍的滯水區(qū)；水流從四面匯集進(jìn)入喇叭管后流場(chǎng)得到進(jìn)一步調(diào)整，在喇叭管出口處水流趨向于均勻分布和垂直于出口斷面。進(jìn)水流道的流態(tài)總體上符合收縮均勻、轉(zhuǎn)向有序的基本要求。采用流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角反應(yīng)水流的均勻程度以及水流方向與出口斷面的垂直程度，其計(jì)算式如下：

圖2 箱涵式進(jìn)水流道的流場(chǎng)圖

軸向流速分布均勻度[11]：

式（1）和式（2）中：Vau為軸向流速分布均勻度；θ為速度加權(quán)平均角；uai為斷面各單元的軸向速度；ua為斷面的平均軸向速度；uti為斷面各節(jié)點(diǎn)的橫向速度，Ai為流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算時(shí)該斷面所劃分的網(wǎng)格單元面積。

在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)，箱涵式進(jìn)水流道出口面的軸向流速分布均勻度為95.04%，速度加權(quán)平均角為87.27°，流道水力損失為0.219m。

為更好地說(shuō)明蝸殼式出水流道的流場(chǎng)特征，沿流道的橫向和縱向共截取6個(gè)不同位置的特征剖面，各特征剖面的位置，蝸牛式出水流道各剖面位置示意圖，見(jiàn)圖3。其中橫剖面（上）、橫剖面（中）、橫剖面（下）為橫斷面，以出水流道底部為基準(zhǔn)面，各斷面距基準(zhǔn)面的距離分別為：橫剖面（下）為0.182D、橫剖面（中）為0.627D橫剖面（上）為1.077D；斷面4-4、斷面5-5和斷面6-6為縱斷面，以出水流道水平中心線(xiàn)為基準(zhǔn)，各斷面距基準(zhǔn)面的距離分別為：縱剖面（左）為1.01D、縱剖面（中）為0.0D，縱剖面（右）為-1.01D，各蝸殼式出水流道流場(chǎng)，見(jiàn)圖4。蝸殼式出水流道的內(nèi)部水流受導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量的影響明顯，水流呈螺旋狀進(jìn)入蝸殼式出水流道，水流在出水喇叭管與出水導(dǎo)水錐構(gòu)成的通道內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊向四周擴(kuò)散，流出喇叭管與導(dǎo)水錐構(gòu)成的通道的水流向四周成輻射狀急劇轉(zhuǎn)向并擴(kuò)散，一部分水流向后壁流動(dòng)，一部分水流向左右兩側(cè)壁流動(dòng)，受后壁和側(cè)壁的阻擋影響，水流在立面上形成旋渦，后壁和兩側(cè)壁的水流在落到流道下半部以后轉(zhuǎn)向流道出口流動(dòng)，還有一部分水流直接向流道出口流動(dòng)，水流經(jīng)直線(xiàn)段調(diào)整后流向出水池。蝸殼式出水流道的內(nèi)部流態(tài)滿(mǎn)足穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求，水力性能較好。在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)，蝸殼式出水流道的水力損失為0.564m。

圖3 蝸殼式出水流道各剖面位置示意圖

在軸流泵裝置全流道數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用文獻(xiàn)[14]中的方法對(duì)泵裝置的能量性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.71m時(shí)，泵裝置流量為32m3/s，效率為72.5%；在最高揚(yáng)程5.25m時(shí)，泵裝置流量為29.7m3/s，效率為71.3%。

4 結(jié) 論

1）箱涵式進(jìn)水流道的流態(tài)總體上符合收縮均勻、轉(zhuǎn)向有序的基本要求，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)，箱涵式進(jìn)水流道出口面的軸向流速分布均勻度為95.04%，速度加權(quán)平均角為87.27°，流道水力損失為0.219m。蝸殼式出水流道的內(nèi)部流態(tài)滿(mǎn)足穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求，水力性能較好，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況時(shí)，蝸殼式出水流道的水力損失為0.564m。

2）基于泵裝置全流道的三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.71m時(shí)，泵裝置流量為32m3/s，裝置效率為72.5%；在最高揚(yáng)程5.25m時(shí)，泵裝置流量為29.7m3/s，效率為71.3%。