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摘要：為解決國內(nèi)某泵站進(jìn)水池內(nèi)不良流態(tài)的問題，本文運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法，通過在進(jìn)水池內(nèi)設(shè)置隔墩等手段，設(shè)計(jì)了3個(gè)優(yōu)化方案。優(yōu)化結(jié)果表明：隔墩能起到很好的整流作用，但因其位置、長(zhǎng)度、數(shù)量的不同，得到的整流效果也會(huì)有差異；進(jìn)水池的形狀對(duì)水的流態(tài)影響較大，特別是“急轉(zhuǎn)角”等形狀，大概率會(huì)引起脫流、漩渦等不良流態(tài)；優(yōu)化方案3解決了進(jìn)水池內(nèi)存在的大漩渦問題，額定工況下，5＃泵機(jī)組在水力損失值上相較于原方案減小了約44％。
關(guān)鍵詞：泵站；進(jìn)水池；隔墩；數(shù)值模擬；漩渦
引言
泵站的進(jìn)水方式可分為側(cè)向進(jìn)水和正向進(jìn)水。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于環(huán)境條件的限制，一般采用側(cè)向進(jìn)水的方式，但該方式常伴有漩渦、回流等不良的情況［1］。為了解決該問題，大量整流措施被提出。其中，設(shè)置導(dǎo)流板［2］、隔墩［3－5］、導(dǎo)流柵［6－7］、底坎［8－10］和立柱［10－11］等措施應(yīng)用較多。國內(nèi)某泵站采用了5臺(tái)潛水軸流泵機(jī)組，當(dāng)所有機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一臺(tái)機(jī)組會(huì)超功率運(yùn)行，但單獨(dú)運(yùn)行該機(jī)組時(shí)，該機(jī)組正常。該泵站的進(jìn)水池應(yīng)用了側(cè)向進(jìn)水的方式，初步判定是進(jìn)水池設(shè)計(jì)不合理造成的。本文應(yīng)用CFD數(shù)值模擬的方法，對(duì)該問題進(jìn)行了分析。
1泵站基本參數(shù)
該泵站共有5臺(tái)潛水軸流泵機(jī)組，單機(jī)流量12m3／s，設(shè)計(jì)總流量60m3／s，泵站進(jìn)水池的布置如圖1所示。
2模型建立及求解器設(shè)置
為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，計(jì)算模型為實(shí)物1∶1建立，包括泵站3個(gè)進(jìn)口閘門隔墩、側(cè)向進(jìn)水池、進(jìn)水流道、5臺(tái)泵機(jī)組等。為了消除出口對(duì)流道的影響，將出口向水流方向延長(zhǎng)了直徑的5倍距離。泵站進(jìn)水池計(jì)算區(qū)域如圖2所示。采用k－ε湍流模型，進(jìn)水池的入口邊界條件為總壓入口，大小為1atm；每個(gè)泵機(jī)組的出口邊界條件均設(shè)置為質(zhì)量流量出口，大小為單機(jī)額定流量12m3／s；壁面為靜止壁面，應(yīng)用無滑移條件；液面為自由水面，設(shè)為對(duì)稱邊界條件。
3內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析
31流道性能計(jì)算結(jié)果
在額定流量12m3／s工況下，提取模擬計(jì)算得到5個(gè)泵機(jī)組出口斷面的壓力，根據(jù)公式計(jì)算得到1＃－5＃泵機(jī)組流道的水力損失分別為01223m、01291m、01219m、01391m、02419m。計(jì)算結(jié)果表明：1＃－3＃泵機(jī)組流道的水力損失基本一致，4＃泵機(jī)組流道的水力損失稍高，5＃泵機(jī)組流道的水力損失表現(xiàn)異常。這與5臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，5＃泵機(jī)組運(yùn)行不正常的情況相符。
32流道流線分析
在額定流量工況下，進(jìn)水池內(nèi)部速度流場(chǎng)如圖3所示。模擬計(jì)算結(jié)果表明，5＃泵機(jī)組前進(jìn)水池內(nèi)有一個(gè)直徑很大的漩渦，該漩渦幾乎堵住了5＃泵機(jī)組的進(jìn)水，造成該泵機(jī)組流道的堵塞，且該漩渦也直接影響了4＃泵機(jī)組的進(jìn)水條件，在進(jìn)水池中靠近4＃泵機(jī)組的流道內(nèi)也出現(xiàn)了流道堵塞的現(xiàn)象。在5＃泵機(jī)組前的大漩渦后，形成了一個(gè)反向漩渦，該反向漩渦同時(shí)也占用了閘門前的整個(gè)流道。這個(gè)現(xiàn)象和前文計(jì)算的流道水力損失結(jié)果相呼應(yīng)。
4優(yōu)化模型數(shù)值計(jì)算
41優(yōu)化方案
1數(shù)值計(jì)算針對(duì)5＃泵機(jī)組前的大漩渦，考慮在進(jìn)水池內(nèi)圖3進(jìn)水池流線圖增加3個(gè)“L”形的隔墩整流，隔墩厚度為06m，高度至常內(nèi)澇水位。具體位置及形狀如圖4所示。該方案求解器的設(shè)置與原方案一致。在額定流量12m3／s工況下，1＃－5＃泵機(jī)組流道的水力損失分別為01252m、01565m、01257m、01181m、01696m，雖然4＃、5＃泵機(jī)組的水力損失有所下降，但2＃泵機(jī)組的水力損失卻有所提升。優(yōu)化方案1流場(chǎng)如圖5所示，可以看出，5＃泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)的大漩渦依然存在，僅比原方案的直徑小一點(diǎn)，但該漩渦對(duì)4＃泵機(jī)組的影響較小。針對(duì)以上現(xiàn)象，可以得出以下3點(diǎn)猜測(cè)：（1）隔墩在該進(jìn)水池內(nèi)一定程度上起到了導(dǎo)流的作用；（2）隔墩過長(zhǎng)或者空間位置不對(duì)，導(dǎo)致水流分配不均，引起了2＃泵機(jī)組水力損失的增加；（3）轉(zhuǎn)角1處的形狀至關(guān)重要，對(duì)5＃泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)大漩渦的形成起到了關(guān)鍵的作用。
42優(yōu)化方案
2數(shù)值計(jì)算針對(duì)優(yōu)化方案1得出的猜測(cè)，對(duì)進(jìn)水池做出了以下幾點(diǎn)修改：（1）加大倒角2處的圓弧半徑，在倒角1處增添一個(gè)圓弧倒角；（2）縮短了隔墩2、隔墩3的長(zhǎng)度，并更改了3個(gè)隔墩的空間位置，具體的更改情況如圖6所示。該方案求解器的設(shè)置與原方案一致。在額定流量12m3／s工況下，1＃－5＃泵機(jī)組流道的水力損失分別為01128m、01246m、01255m、01556m、01432m。相較于原方案，優(yōu)化方案2的5＃泵機(jī)組在水力性能上提升了不少，其他4個(gè)泵機(jī)組的水力損失基本一致。優(yōu)化方案2的流場(chǎng)如圖7所示，可以看出，水流在倒角1處平滑過渡，但由于該處流道截面較小，導(dǎo)致該處水流速度較快。4＃泵機(jī)組水力損失較高，這是由于該機(jī)組同時(shí)受到從隔墩1和隔墩2處沖出水流的共同作用。5＃泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)的大漩渦基本消除，閘門前的漩渦直徑也有所減小。
43優(yōu)化方案
3數(shù)值計(jì)算優(yōu)化方案3在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上做出了以下幾點(diǎn)修改：（1）加大倒角1處的圓弧半徑；（2）隔墩1形狀和位置不變，去掉了隔墩3；（3）隔墩2朝隔墩3方向移動(dòng)了一段距離，并加大了隔墩的圖6優(yōu)化方案2模型圖7優(yōu)化方案2流線圖弧度。優(yōu)化方案3具體的更改情況及與優(yōu)化方案2的三維模型對(duì)比如圖8所示。該方案求解器的設(shè)置與原方案一致。在額定流量12m3／s工況下，1＃－5＃泵機(jī)組流道的水力損失分別為011m、01298m、01428m、01359m、01355m。相較于其他方案，優(yōu)化方案3各機(jī)組在水力性能上更優(yōu)。優(yōu)化方案3的流場(chǎng)如圖9所示，從圖中可以看出，由于增大了轉(zhuǎn)角1處的半徑，在與隔墩1的共同作用下，水流在該處的轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為有序、平緩，且5＃泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)未出現(xiàn)原方案的大漩渦，能給5＃泵機(jī)組提供良好的進(jìn)水條件。隔墩2起到了良好的導(dǎo)流、整流作用。優(yōu)化方案3的進(jìn)水池能夠給5臺(tái)泵機(jī)組提供優(yōu)異的進(jìn)水流態(tài)，水力性能良好。
5結(jié)論
本文以國內(nèi)某泵站為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)已有進(jìn)水池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了以下結(jié)論：（1）引起該泵站5＃泵機(jī)組功率不正常的原因是側(cè)向進(jìn)水池設(shè)計(jì)的不合理。進(jìn)水池缺乏合適的導(dǎo)流措施，從而在5＃泵機(jī)組前產(chǎn)生了直徑很大的漩渦，導(dǎo)致出現(xiàn)了流道堵塞等現(xiàn)象。（2）合理設(shè)置隔墩的長(zhǎng)度、空間位置及數(shù)量能夠很好地起到導(dǎo)流、消除漩渦的作用。進(jìn)水池的設(shè)計(jì)應(yīng)該避免出現(xiàn)“急轉(zhuǎn)角”等不良情況。（3）優(yōu)化方案3能夠給5臺(tái)泵機(jī)組提供良好的進(jìn)水條件。額定流量工況下，相較于原方案，方案3的5＃泵機(jī)組在水力損失模擬值上減小了約44％，其他泵機(jī)組模擬值與原泵基本一致。
作者:張坤 金雷 汪小峰 李星 單位:合肥恒大江海泵業(yè)股份有限公司 安徽省大型潛水電泵裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室