泵站进水池CFD优化分析和试验研究.pdf

2023年第4期32小原枝术泵站进水池CFD优化分析和试验研究王俊华1王东进2钱辉张弛4（上海凯泉泵业（集团）有限公司，上海201804)摘要：针对陕西某灌区取水泵站在运行中机组振动过大的情况，应用CFD技术对进水池水力性能进行分析，计算结果显示3#、4#机组泵进口旋度明显偏高，叶轮进口截面样本点轴向速度与平均值偏差较大；水泵吸水管两侧旋涡明显，初步判断为进水池宽度过大所致。因此分别将1#-3#机组、4#机组池宽由4m、3.6 m 缩小至3.2 m、2.5 m 后，再次进行计算分析，3#、4#机组泵进口旋度分别降低至0.8 6、0.7 2，泵进口入流状态得到明显改善。同时基于弗劳德数相似准则进行了装置模型试验，采用旋度计测试了进水池修改前后泵进口旋度，试验结果与仿真计算结果一致，验证了计算结果的可靠性。关键词：泵站进水池CFD模拟泵进口旋度试验研究中图分类号：TH311文献标识码：A1泵站机组运行问题进水池在泵站中应用广泛，其主要作用是进一步调整从前池进人的水流，为水泵进口提供良好的进水条件。若进水池设计不当则易导致池内流速分布不均匀，引发旋涡，进而降低水泵的能量性能和汽蚀性能，甚至引起水泵机组的振动，导致水泵无法正常工作1-2 。赵苗苗3 对泵站开式矩形进水池进行数值计算，给出了推荐池宽范围。王亚军4 对泵站封闭式进水流道水力性能进行分析研究，比较了矩形、半圆形、对称蜗壳形后壁消涡的效果。颜红勤等5 对开散式进水池中泵横梁对水力性能的影响进行了CFD分析，并讨论了增设检修平台和检修胸墙对进水流态的不利影响。学者们在研究泵站进水池时大都说明了进水池几何参数的重要性及整流措施的有效性。结合陕西省某灌区取水泵站，分析其内部流态和水力性能。泵站共4台机组，水流由进水池引封闭式矩形流道后经吸水管吸入水泵。其中1#3#泵运行额定流量3.32 m/s，4#泵2.0 5 m/s。在实际运行中，机组振动和噪声偏大，初步判断为水泵进水流态较差所致，于是对泵站进水池流态进行CFD计算分析。2数值计算模型2.1物理模型图1（a）、图1（b)为泵站进水池示意图，叶轮直径D。：1#-3#泵0.9m，4#泵0.7 m。现进水池方案池宽B：1#-3#机组4m，4#机组3.6 m，后壁距T均为2.15 m。喇叭口悬空高度C：1#-3#机组1m，4#机组0.9m。三维模型如图1(c)所示。1#0水流方向2#O水流方向13#转轮中心中4#（a）俯视图(b)正视图泵1泵2泵3泵4（c）三维模型图1泵站进水池几何模型2023年第4期33小原枝术2.2控制方程和边界条件设置由于进水池内的流动为三维不可压缩流动，具有常数性物理属性，因此采用连续性方程和雷诺时均N-S方程描述该流动，其中连续性方程如式(1)：aui=0(1)x;动量守恒方程为：tX;Pduu-puu,)十x;dxx(2)式中，u;u;为流速在i、j 方向上的分量；p为流体密度；-pu,u,为雷诺剪切应力；P为静压；为流体粘度。边界条件的设置对计算结果的准确性有相当大的影响。本文将人口边界设置为质量流，出口边界设置为静压，即将进水池进水断面作为整个计算域的进口，设为质量进口。由于进水池内流速不大、水面波动不大，将自由水面对速度和紊动能均可视为对称平面处理，忽略空气对水面的切应力及与大气的热交换作用。进口输人额定工况流量值，出口位于水泵的出口，采用静压进口边界条件，压力值为1atm。其余部分（包括进水池边壁、吸水管等）设为wall，采用无滑移的壁面进行处理。离散方程组的求解采用SIMPLEC算法6 ，以提高计算精度。计算步数为10 0 0 步，收敛精度为10-s。2.3网格剖分计算域分为进水池和吸水管，采用适应性较好的四面体网格，同时对吸水管口附近网格进行加密处理，以提升比较关注的泵进口流态计算精度。为降低网格数量对计算精度的影响，逐渐增加网格数，以总水域的水头损失作为评价依据。当网格数50010*时，总水力损失变化范围仅为0.0 0 5 m。综合计算周期及计算精度，选取网格数为5 0 0 104的计算域进行研究。网格剖分结果如图2 所示。3水泵进水流态CFD结果3.1现方案计算结果泵站进水池整体流线和泵吸水管流线如图3所示。图2网格剖分泵1Velocity1.0泵20.90.80.730.3泵4(a）进水池泵1Velocity泵2泵31.0泵40.90.80.70.60.50.40.30.2(b）直管段图3泵站进水池流线和泵吸水管流线图泵站前池流态较好，在水流沿长隔墩分别进人4台泵进水池后，尤其在1#和4#机组流道，靠近流道外侧出现明显旋涡现象。这是由于1#、4#机组流道外侧向外扩散角度过大、流速明显降低，与靠近流道内侧的高速区形成较大的速度梯度；同时由于胸墙的挤压作用，上部流体只能向下进人封闭流道内。吸入喇叭管下方水流旋涡明显，1#、4#泵水流沿流道内侧旋转吸人直管内，进入直管段的流线紊乱，流态较差。从计算模型截取不同深度的截面，观察各截面上速度分布情况，如图4所示。在距离池底0.2 m处，4台泵流速分布不均匀，吸水管前喇叭口下方靠近池底位置存在较大旋涡，对正向来流的阻塞作用明显；在距离池底0.8 m处，接近喇叭口位置，进口流速较池底向好的方向发展，泵进水方向存在几个小旋涡，2#、3#泵均匀从吸水管四周进水，1#、4#泵水流沿流道内侧旋转进人吸水管，流态较差。2023年第4期34小原楼术泵1泵2泵3泵4Velocity0.90.7（a）距池底0.2 米泵1泵2泵3泵4Velocity.（b）距池底0.8 米图4吸水管底部截面流速分布进水池扩散角过大是导致吸水管进口旋涡的主要原因，拟将流道扩散角减小、池宽进行适当缩小，计算比较改进后进水池流态分布。3.2改进方案计算结果现方案1#、2#、3#泵池宽4m、4#泵池宽3.6m，建议修改方案1#、2#、3#泵池宽3.2 m，4#泵池宽2.5 m，计算比较修改方案对于进水流态的优化效果。修改后进水池流线如图5 所示。宽度收缩后的进水流道流线旋涡明显减小，对Velocity0.98(a)进水池Velocity(b）直管段图5修改后进水池流线正向水流阻塞明显降低；吸人喇叭口下方来流较好，水流从前方及四周均匀吸入直管内。直管内流线均匀平顺，流态良好。参照美国国家标准水泵进水设计7 ，使用涡角对泵进口预旋进行计算分析。涡角是指水泵吸水管内轴向水流由于存在预旋而偏转的角度，是泵进口水流切向分速V与轴向分速V。的反正切，按式(3）进行计算：dnQ=arctan(3)arctanV60Va式中，Va为轴向平均速度（m/s）；d 为吸水管管道内径（m）；n 为旋度计转速（r/min）。一般要求泵进口涡角平均值不超过5。进水池方案修改前、后经数值计算得到的泵进口旋涡角如表1所示，4台泵进口旋度分布如图6 所示。表1泵进口旋度计算结果比较机组1234原方案进口平均预旋角/（）2.631.147.66-9.82修改方案进口平均预旋角（）2.703.240.860.72alpha_degalpha_deg5432-0773475432-077747泵1泵2alpha_degalpha_deg5432-0773475432-072347泵3泵4（a）原方案alpha_degalphaa_deg5432-0773475432-07734泵1泵2alpha_degalpha_deg5432-0723473432-077347泵3泵4（b）修改后方案图6泵进口旋度分布2023年第4期35小原枝术从表1和图6 中可以看出，原方案3#、4#泵进口水流旋度角过大、达到7.7 和-9.8 2，超过了最大平均涡流角5，可能引起泵运行振动等不利运行状态，3#、4#泵进口截面旋度分布图上明显表现出大范围过高（+值和值）的旋度存在；而缩小池宽后的泵进口旋度均不超过5，3#、4#泵进口高预旋角区域面积明显减小，进水流态较好。除了无旋涡的条件外，水泵优化运行还需要使围绕叶轮的速度分布近乎均匀。显著的非均匀流会导致水泵效率降低，并在水泵叶轮上引起荷载振动。水泵吸人口轴向速度平均值偏差应不超过10%。图7 为原方案和修改后方案泵进口轴向速度均匀度分布图。原方案中1#泵进口截面轴向速度偏差较大，左下角将近1/3的部分轴向速度偏差接近10%，2#泵进口存在小部分区域轴向速度偏差较大。修改后进水池方案4台泵进口轴向速度平均偏差值均较小，整体均优于原方案。ravdravd泵1泵2ravdravd泵3泵4（a）原方案ravdravd泵1泵2Tavdravd10泵3泵4（b）修改后方案图7泵进口轴向速度均匀度4模型试验验证在传统的水泵装置模型试验中，偏重于观察前池及进水池内的总体流动情况，仅测量少数断面的流速分布，而对水泵进口水流预旋的观察与吸水管内涡流强度的测量结果较少。本次试验采用旋度计测量水泵吸水管内的涡流强度，定量地评价进水设计和水流预旋情况8 O4.1模型比尺选择与相似准则设计方案在设计水位和设计流量下试验，以检验进水池的水力性能。进水池水流运动主要受重力和惯性力影响，所以模型试验的相似准则采用弗罗德数Fr，有条件地放松对雷诺数相似条件的要求，忽略欧拉数和韦伯数相似条件9-1，只要求模型水流处于自动相似区（Re10000），此时摩擦阻力系数基本不变。通常情况下缩小的水工模型比例不小于1：5 0。根据泵站原型尺寸及模型试验场地，采用1:10 的比例尺以避免尺度效应，制作水工模型。模型整体采用有机玻璃制作。VV2myFr:(4)gglommoyy式中，V为流速；g为重力加速度；l为特征长度；下标m和y分别指模型和原型。因为模型与原型重力加速度相同，原型与模型的速度比尺Vp/Vm=/,/.=/=3.16，其中入是几何比尺。模型和原型的流量比尺V,A,/VmAm=入2.5=316。4.2试验装置模型试验装置设计为循环系统，由进水池、吸水管、循环泵、超声波流量计、旋度计、循环管道、阀门等组成。循环水泵最大流量满足相似比例尺的流量要求。试验台布置如图8 所示，旋度计安装情况如图9所示。4.3试验测试结果通过泵进口两侧增加隔板，模拟池宽调整对泵进水流态的影响。调节循环泵转速，将模型泵流量调整至原型对应运行流量点，待模型稳定运行后开始测试。旋度计转速数据按标准规定每隔10 30秒读取一次，持续时间不小于10 分钟，测试结果2023年第4期36小原楼术4#03#22#1#3水流方向861-进水池模型2-模型泵吸水管3-循环管路4-循环泵5-控制阀6-超声波流量计7-循环泵变频调速柜8-微机图8泵站模型图9旋度计取平均转速来计算涡角。记录试验得到的结果如表2所示。试验结果分析如下：（1）原方案1#、2#机组进口预旋角不超过5，达到标准；3#、4#机组平均预旋角超过5，说明泵进水流态不够理想，应对泵站进水池进行调整。（2）将模型由1#-3#机组池宽4m、4#机组池宽3.6 m，缩小至1#-3#机组池宽3.2 m、4#机组池宽2.5 m，此时3#、4#机组进口预旋角由6.35、8.41降低至1.31、0.6 2，进口条件得到明显改善。这是由于池宽减小限制了泵进口两侧旋涡的发展，旋涡和环流不易发生。此时4台机组进口预旋角均不超过5，进口流态改善效果良好。表2水力性能模型试验结果机组编号1234原方案进口平均涡角/（）2.941.476.358.41修改方案进口平均涡角/（）2.452.781.310.625结语（1）对泵站进水池初步设计的仿真计算结果表明：水泵附近旋涡明显，3#、4#机组进口预旋角偏大，1#机组泵进口轴向速度均匀度偏低，初步判断是由于池宽过大使泵进口两侧旋涡发展扩大，应适当缩小池宽。（2）将原进水池设计1#3#机组池宽4m、4#机组池宽3.6 m，缩小至1#-3#机组池宽3.2m、4#机组池宽2.5 m，此时3#、4#机组泵进口预旋角度显著降低，均满足美国水力学会不超过5的标准。1#、2#机组泵进口轴向速度均匀度也得到明显改善，同时也降低了土建成本，修改后的泵进口流态得到改善。（3）采用物理模型试验测试了原方案和改进后进水池设计方案，泵进口水流预旋的情况得到改善，试验测得涡角与仿真计算结果相近，验证了修改后方案对泵进水条件的改善效果。参考文献1陆林广，张仁田泵站进水流道优化设计M北京：中国水利水电出版社，1997.2王亮泵站进水池流动特性数值模拟研究D扬州：扬州大学，2 0 13.3 走赵苗苗泵站进水池池宽水力特性数值模拟J西北水电，2018(6):47-50.4汪亚军泵站封闭式进水池防涡措施CFD研究D扬州：扬州大学，2 0 16.5 彦颜红勤，陈松山泵站进水池构筑物布置形式对水流的影响J水利水电科技进展，2 0 13，33（2）：5 5-5 8.6方施高萍，王益土，华泽元轴流泵站开散式进水池的消涡措施分析 浙江水利水电学院学报，2 0 16，2 8（2)：2 6-2 9.7王勇，吕立霖，刘厚林，等泵站进水池低水位流态分析及整流方案研究J水电能源科学，2 0 2 2，40（8）：18 6-18 9.8 Hydraulic Institute.ANSI HI9.8-2012 American national stand-ard for rotodynamic Pump for pump intake Design S.NewJersey:Hydraulic Institute,2012.9东彦，陆林广泵站水泵蜗形进水池的试验研究J水力发电学报，2 0 0 6，2 5（6）：145-148.10陈方旋，沈颖，白玉川水泵站进水池物理模型试验研究J水资源与水工程学报，2 0 13，2 4（2）：15 5 15 9.11朱红耕，陆林广，奚斌，等水泵进口预旋及涡流强度测试新技术J灌溉排水学报，2 0 0 3，2 2（3）：5 7 6 0.（本文编辑胡玉靓）(收稿日期2023 01-09)