防洪排涝泵站进水流道CFD优化设计研究.pdf

LOW CARBON WORLD 2023/7肖曾袁雷防洪排涝泵站进水流道CFD优化设计研究鸣（荆州市水利水电勘测设计院，湖北 荆州 434020）【摘要】防洪排涝泵站建设过程中袁进水流道作为其中的关键组成部分袁可以通过优化设计袁最大限度地减少水力损失袁提升水泵装置工作效率袁提高泵站的经济效益袁为后续的防洪排涝工程奠定基础遥 基于此袁从进水流道计算机流体力学渊computational fluid dynamics,CFD冤优化设计入手袁结合实际案例袁借助相应的水力模型袁深入分析具体的优化设计方案袁提高泵站的运行效率遥【关键词】防洪排涝曰泵站曰进水流道曰CFD 优化设计【中图分类号】TV675【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2023）07-0046-030 引言随着城镇的快速发展，市区内防洪排涝工程的重要性也随之提高，但从目前来看，城市防洪排涝设施还需要得到进一步强化，才能更好地带动区域经济的可持续发展。在新建防洪排涝泵站过程中，需要对相应的进水流道进行优化设计，以此提高泵站排涝减灾能力。可以采用相应的水泵装置模型试验进行模拟，但成本较高，相比较而言，计算机流体力学（computational fluid dynamics,CFD）技术因其本身成本较低、计算速度快得到了广泛应用。1 CFD 技术和案例概述1.1 技术概述进水流道是大中型防洪排涝泵站的关键部位，其水力性能直接关系到机组的工作效率及泵站的安全性，如果设计不合理，不仅会导致水泵装置工作效率降低，还可能会导致水流脱流，形成涡带，引起水泵汽蚀，产生振动和噪声，同时增加水力损失。因此，提升进水流道的设计水平尤为重要。然而，由于其流动形式非常复杂，当前的研究工作大多依靠物理模型或原型观测，不仅耗费大量的人力物力，而且在实际应用中常遇到漩涡和分离等复杂流动现象。随着CFD 技术的不断发展，我国的泵站工程开始采用三维湍流模型分析进水流道内的流动状态以及优化设计进水流道，并且经过实际应用，证实其是一种高效、切实可行的计算方法1。1.2 工程概述柳港泵站位于荆州区菱角湖管理区柳港闸沮漳河堤 3+000 桩号处，属于沮漳河流域，为独立排区。工程主要任务为：通过新建柳港泵站，提高菱角湖排区的外排能力，缩短排涝时间，降低排区因洪涝灾害产生的损失，为菱角湖排区排水创造良好的外部条件。该站设计排涝流量为 20 m3/s，总装机容量为2 400 kW，共设 3 台套立式轴流泵机组，单机流量为6.7 m3/s。工程主要由进水渠、拦污栅桥、进水前池、主厂房、电气副厂房、出水流道、穿堤箱涵、防洪闸、出水池和自排闸等组成。2 CFD 优化设计和模拟分析2.1 数值模拟进水流道设计非常关键，如果缺少合理的设计，不仅可能影响最终的水泵装置工作效率，还会影响到最终的工程造价2。目前，防洪排涝泵站进水流道在实际设计过程中并没有相对明确的设计理论，大部分情况下依靠以往的工程经验进行设计，为确保设计结果的准确性和可靠性，需要借助 CFD 技术进行优化设计3。从实际情况来看，该工程项目进水流道内的流动属于紊流，因此采用紊流理论进行数值模拟。紊流作为一种高度非线性的复杂流动，需要对流动问题进行全面、准确的数值模拟，确保模拟结果的准确性。雷诺时均法是当前应用最多、计算结果更符合实际情况的三元湍流法，其计算优势明显。在具体运用中，对不稳定状态下的控制方程进行时间的平均化处理，会得到含有脉动量乘积时均值等未知量的控制方程，该方程组不封闭，无法求得各未知量的值。在雷诺时均法中，针对两个脉动量乘积的时均值构建了一种新的偏微分方程，在构建方程的同时将引入 3 个脉动量乘积的时均值，在此基础上，还需进一步构建 3 个脉动量乘积时均值的偏微分方程，这样低碳技术46LOW CARBON WORLD 2023/7就会产生 4 个时均值，并通过一个闭合的模型求得其解，从而形成一个湍流模型。湍流模型将一个高阶时均系数表达为一个可以求取数据的低阶数函数，从而使湍流模型得以闭合。将未知变量与已知变量构成的方程式合二为一，再进行解算，就可以得出每个未知量的数值。式（1）和式（2）为时均连续方程和时均 N-S 方程。ui坠坠xi越园;（1）坠 ui坠 t+uj坠 ui坠xj=fi-坠 p坠xi+滋坠2ui坠xj坠xj-坠坠xj（u忆iu忆j）。（2）式中：xi坐标系坐标；ui沿 i 方向的速度分量；fi沿 i 方向的质量力，i=1，2，3；p作用于流体微元体上的压力；滋黏度。为了方程组闭合，在上述方程的基础上，对雷诺应力做出假设，即建立应力的表达式以及相应的模型。采用标准 资-着 模型，在湍流动能 资 方程的基础上，引入一个湍动耗散率 着 的方程，形成 资-着 双方程模型。根据具体的方法采用有限体积法进行离散，得到离散形式，完成求解。需要注意的是，要采用分离式算法进行进一步的优化，配合 SIMPLEC 算法，完成计算。2.2 设计方案拟定在初步设计阶段，根据工程特性及以往类似工程相关经验，初步拟定柳港泵站采用肘形进水流道，其控制尺寸如图 1 所示。控制尺寸数据和流量数据为：流道进口段宽度B=4 m，进口断面高度 h1=3.5 m，进水流道的纵向长度 L1=8.7 m，弯曲段高度 h2=1.75 m，出口段出口面直径 D2=1.37 m，出口段进口面直径 D1=1.46 m，出口段高度 h3=0.37 m，流道出口断面至底板的高度 hw=2.12 m，单泵流量 Q=6.7 m3/s。根据水力学原理，已对肘形进水流道进行流态分析，已初步设计流道的控制尺寸，且通过评审，因此控制尺寸不宜变动。可以进行优化设计的尺寸为进口段顶部渐缩角度 琢，根据进口断面高度 h1=3.5 m，流道出口断面至底板的高度 hw=2.12 m 和进水流道的纵向长度 L1=8.7 m，进口段顶部渐缩角度 琢 只能控制在 11毅17毅，因此 琢 取 11毅、13毅、15毅和 17毅，分别为4 个方案进行数值模拟。此外，流道出口段对调整水流流态分布极其重要，出口段长度越长，出口断面流速分布越均匀，流道出口断面至底板的高度 hw=2.12 m 已经确定，出口段不宜向下延长太多，因此将出口段向下延长 100 mm，设计一个方案进行数值模拟验证，具体如表 1 所示。注：hk为出口段向下延伸高度方案编号B/m琢/（毅）L1/mD1/mD2/mh1/mh2/mh3/mR2/mR3/mhk/mm方案一4118.71.461.373.51.750.370.381.64方案二4138.71.461.373.51.750.370.571.64方案三4158.71.461.373.51.750.370.581.64方案四4178.71.461.373.51.750.370.821.64方案五4158.71.461.373.51.750.370.581.64100表 1 肘形进水流道设计方案2.3 结果分析对上述提出的 5 个设计方案，运用数值模拟的方法可计算出肘形进水流道内的水流流态。进水流道内弯曲段转弯结束后、进入水泵之前的区域，最容易产生旋涡和涡带等不良流态。因为该区域在转弯之后，流速较快，流速分布不均匀，容易产生脱壁，又因为该区域是流道最后部分，能量最小，最易产生旋涡和涡带。因此选择该区域的断面进行观察。各方案均没有出现涡带、旋涡等不良流态，流态满足要求，因此需进一步比较各方案进水流道出口断面流速分布是否均匀、出口断面流速方向是否与断面垂直、流道水力损失大小，从而选出最优方案。可以从以下 3 个方面判断进水流道的设计质量：淤叶轮进口的轴向流速分布均匀度越接近图 1 进水流道控制尺寸L1D2D1L2低碳技术47LOW CARBON WORLD 2023/7100豫，说明进入叶轮的水流流态越好。于叶轮进口的速度加权平均角度越接近 90毅越好。盂流道水力损失 hw越小越好。5 个方案水力性能优化目标计算结果如表 2所示。方案编号流速分布均匀度 Vu/%速度加权平均角度兹/（毅）流道水力损失 hw/m方案一73.6285.910.399方案二72.7086.070.418方案三77.2086.730.405方案四73.5286.380.421方案五74.0385.960.411表 2 5 个方案水力性能优化目标计算结果方案一进口段顶板渐缩角度 琢 为 11毅，在 5 个方案中最小，因此水流在弯曲段转弯最急，但没有出现回流和旋涡，流速分布均匀度 Vu为 73.62%，比方案二、方案四好，较方案三、方案五差，速度加权平均角度兹为 85.91毅，在 5 个方案中表现最差，但流道水力损失 hw为 0.399 m，在各方案中表现最好。方案二进口段顶板渐缩角度 琢 为 13毅，水流在弯曲段转弯较急，但没有出现回流和旋涡，流速分布均匀度 Vu为 72.70%，在 5 个方案中最差，速度加权平均角度兹为86.07毅，比方案一、方案五好，比方案三、方案四差，但流道水力损失 hw为 0.418 m，比方案四好，比方案一、方案三、方案五差。方案三进口段顶板渐缩角度 琢 为 15毅，水流在弯曲段转弯较为平滑，没有出现回流和旋涡，流速分布较均匀，流速分布均匀度 Vu为 77.20%，比其余方案都要好，速度加权平均角度兹为 86.73毅，比其余方案都要好，流道水力损失 hw为 0.405 m，比方案一差，比方案二、方案四、方案五好。方案四进口段顶板渐缩角度 琢 为 17毅，水流在弯曲段转弯最为平滑，没有出现回流和旋涡，但弯曲段内曲率半径 R2较大，喉管断面面积小，流速大，流速分布不均，流速分布均匀度 Vu为 73.52%，比方案二好，比方案一、方案三、方案五差，速度加权平均角度兹为 86.38毅，比方案三差，比方案一、方案二、方案五好，流道水力损失 hw为 0.421 m，在各方案中表现最差。方案五进口段顶板渐缩角度 琢 为 15毅，出口段向下延伸 100 mm，水流在弯曲段转弯较为平滑，没有出现回流和旋涡，流速分布均匀度 Vu为 74.03%，比方案一、方案二、方案四好，比方案三差，速度加权平均角度兹为 85.96毅，比方案一好，比方案二、方案三、方案四差，流道水力损失 hw为 0.411 m，比方案一、方案三差，比方案二、方案四好。由以上分析可知，方案三的流速分布均匀度 Vu=77.20%和速度加权平均角度兹=86.73毅，在各方案中为最好。流道水力损失 hw=0.405 m，在各方案中仅次于方案一，且方案一的流速分布均匀度 Vu和速度加权平均角度兹与方案三相差较大，因此选择方案三为最终方案。3 结语为了保证水泵装置处于最佳的工作状态，获得最佳的能量和汽蚀特性，必须有一个良好的进水流态。进水流道的主要功能是在水流从进水池流到水泵叶轮室的过程中引导水流进行有序转弯和均匀收缩，从而为水泵叶轮室的入口截面提供满足叶轮水力设计需求的进水流态4。在大流量低扬程的泵站中，进水流道的水力设计应该符合以下 3 点：淤尽量使流道出水段的流速分布均匀，并使其与出水段的流动方向相一致。于通道中没有旋涡、涡带等有害流动现象。盂尽量减少流道中的水力损耗。目前，肘形进水流道的设计没有成熟的理论，主要依靠以往工程经验进行设计，因此对设计方案进行可靠性验证十分必要5。鉴于此，本文采用 CFD 数值模拟方法，对柳港泵站进水流道进行优化设计，切实提高其运行效率。参考文献1 陈政.枞阳引江枢纽工程水泵装置模型试验及流道优化设计研究J.中国水能及电气化，2023（3）：21-26，34.2 朱峰雷.肘形进水流道优化水力设计研究D.扬州：扬州大学，2014.3 罗祝北.肘形进水流道几何参数对轴流泵装置性能影响的数值模拟研究D.扬州：扬州大学，2011.4 赵水汨，张前进，杨模.泗阳二站进水流道优化设计J.陕西水利，2023（2）：140-142.5 付爱华.西河泵站工程出水流道优化设计J.水利建设与管理，2022，42（10）：32-37.作者简介院肖曾（1991），女，汉族，湖北荆州人，硕士研究生，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。低碳技术48