周慶連　朱峰雷　王晶晶（連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司　連云港　222000　上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院　上海　200120河北大地建設(shè)科技有限公司　上海　200120）

立式潛水泵裝置內(nèi)部流動和性能預(yù)測

周慶連朱峰雷王晶晶
（連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司連云港222000上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院上海200120河北大地建設(shè)科技有限公司上海200120）

本文基于CFD技術(shù)，針對箱涵式雙向流道泵裝置的水力性能，分析了進水流道進水喇叭管下方有、無導(dǎo)流墩及增加消渦柵對泵裝置性能的影響；分析了在出水流道中增加中隔墩及該裝置進出水型式在單向流道泵裝置中的水力性能。

雙向流道立式潛水泵泵裝置內(nèi)部流動數(shù)值模擬

目前，潛水軸流泵通常用于單向和臥式泵裝置，用于雙向流道泵裝置不多，國內(nèi)外對雙向流道潛水軸流泵裝置優(yōu)化水力特性的研究還很少，所以對此類型泵裝置的水力性能狀況的了解還不夠全面。因此，對此型式的泵裝置進行深入研究，以提高雙向流道潛水軸流泵裝置的效率性能，更好地應(yīng)用到泵站工程實際中。

1　建模及網(wǎng)格劃分

涵洞式雙向流道立式潛水軸流泵裝置單線圖如圖1所示，由進水流道、出水流道、葉輪、導(dǎo)葉等幾部分組成，數(shù)值模擬的三維實體建模以此為基礎(chǔ)進行。模型泵直徑300mm，轉(zhuǎn)速為1250r/min，導(dǎo)葉采用擴散導(dǎo)葉。

本文利用ANSYS DM對進、出水流道部分進行三維建模。圖2（a）～（f）為不同方案泵裝置模型三維實體模型圖。有導(dǎo)流錐且擴散導(dǎo)葉葉片數(shù)為7片的為方案1，無導(dǎo)流錐為方案2，無導(dǎo)流錐但增加消渦柵的為方案3，有導(dǎo)流錐且擴散導(dǎo)葉葉片數(shù)為5片的為方案4，出水流道加隔墩為方案5，單向流道為方案6。

本文采用ICEMCFD分塊劃分進、出水流道部分的網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格類型，由于進出水室的結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，所以加密了這部分的網(wǎng)格。各個方案網(wǎng)格結(jié)點和網(wǎng)格單元總數(shù)見表1。

2　進水流道消渦措施對泵裝置性能的影響

已建成的雙向流道立式軸流泵泵站中，通常在進水流道內(nèi)進水喇叭管下方存在一些漩渦，可能會引發(fā)機組的振動，嚴重時影響水泵機組的正常運行；還會使進水流道出口流速分布均勻度下降，降低泵裝置整體性能和效率。因此，需要在進水流道內(nèi)采取一些防渦、消渦的措施。本文采取的曲線型導(dǎo)流墩在工程實際中能夠得到不錯的導(dǎo)流消渦結(jié)果，應(yīng)用比較廣泛。另外嘗試在喇叭管正下方增加具有一定高度、順水流方向并行排列的一組消渦柵。比較有、無導(dǎo)流墩以及增加消渦柵情況下對泵裝置性能的影響和彼此的優(yōu)劣之處。

方案1、2、3的數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖3。

計算結(jié)果顯示，該裝置的流量～揚程曲線、流量～效率曲線的基本趨勢未發(fā)生明顯的改變：無導(dǎo)流錐的方案2和加消渦柵的方案3的揚程、效率曲線基本重合；方案1的揚程在相同流量下略高于其他兩種方案，平均約高出0.15m；方案1的效率在小于最優(yōu)工況流量時略低于其他兩種方案，大于最優(yōu)工況流量時則相反；方案1的最優(yōu)工況點流量為270L/s，最高效率為71.81%；方案2的最優(yōu)工況點流量為260L/s，最高效率為72.37%；方案3的最優(yōu)工況點流量為260L/s，最高效率為72.79%。

總的來說，3種方案的裝置效率相差不是很大，設(shè)置導(dǎo)流消渦措施的主要目的是消除或者盡量減少進水喇叭管下方的漩渦，保證水泵機組安全穩(wěn)定運行。

3　導(dǎo)葉葉片數(shù)不同對泵裝置性能的影響

本節(jié)比較雙向流道立式潛水泵裝置中導(dǎo)葉葉片數(shù)分別為方案1取7片和方案4取5片，泵裝置的其他部分都相同的兩種情況下的不同，根據(jù)比較結(jié)果選擇合理的導(dǎo)葉葉片數(shù)。泵裝置計算結(jié)果見圖4、圖5。

通過數(shù)值計算得到方案1、方案4的泵裝置外特性曲線，如圖4所示。計算結(jié)果表明導(dǎo)葉葉片數(shù)對裝置的性能有一定的影響。導(dǎo)葉體的流量～水力損失曲線，如圖5所示，隨著流量的增加，導(dǎo)葉體內(nèi)的水力損失反而減小，說明小流量工況下從葉輪出來的水流環(huán)量比大流量時的要大，水流經(jīng)過導(dǎo)葉的調(diào)整損失的能量也就大，因此水力損失隨著流量增大呈現(xiàn)減小的趨勢。在同一流量下7DY水力損失總體來說比5DY大，7DY和5DY都在流量為270L/s時達到最高效率點，最高效率分別為71.25%、71.62%，對應(yīng)揚程分別為3.45m、3.49m，由計算結(jié)果可知，導(dǎo)葉葉片數(shù)相對較少時，泵裝置的水力性能要好，因此在實際工程中，導(dǎo)葉葉片的數(shù)量不應(yīng)過多。

圖1　雙向流道立式潛水軸流泵裝置單線圖

圖2　不同方案泵裝置模型三維實體模型圖

表1　不同方案網(wǎng)格結(jié)點和網(wǎng)格單元總數(shù)表

4　出水流道加隔墩對泵裝置性能的影響

在對雙向流道立式潛水軸流泵裝置的數(shù)值模擬計算過程中發(fā)現(xiàn)出水流道的流態(tài)比較紊亂，本文擬在出水流道主水流側(cè)及盲端側(cè)都加上一定厚度的中隔墩，通過數(shù)值計算考察此措施能否改善出水流態(tài)。

通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)加隔墩時出水流道的流態(tài)與不加隔墩時基本相同，甚至由于出水流道過流面積被隔墩壓縮，流態(tài)還要比不加隔墩時差一些，水流旋轉(zhuǎn)更加明顯，由此說明出水流道加隔墩對出水流態(tài)的改善沒有顯著效果。

出水流道有、無隔墩泵裝置外特性曲線如圖6所示，由于隔墩增加了出水流道的水力損失，加隔墩裝置的揚程、效率都略低于不加隔墩的裝置，計算結(jié)果表明箱涵式雙向流道出水流道加隔墩不能改善出水流道的流態(tài)，反而降低了裝置效率。但是在工程實際中出水流道跨度較大時，可以通過在出水流道設(shè)置隔墩來可以改善流道的受力情況，保證泵裝置的穩(wěn)定性要求，還可以利用隔墩設(shè)置門槽。大多數(shù)情況下設(shè)置隔墩只是為了改善流道的受力條件，箱涵式出水流道設(shè)置隔墩除了可以改善結(jié)構(gòu)受力條件外，還可利用隔墩將工作閘門及事故閘門分為兩塊。因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求而必須設(shè)置隔墩時，隔墩長度要盡量短一些。

5　單向流道與雙向流道的比較

根據(jù)前文對雙向流道立式潛水軸流泵裝置的內(nèi)部流動水力性能的預(yù)測，該裝置的最高效率達到了71%以上，所以考慮能否將此進出水型式用于方案6單向進出水流道的情況，在其他尺寸不變的情況下，將進出水流道的盲端分別縮短一定距離得到單向流道的三維模型。數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖7所示。

由數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出單向流道泵裝置內(nèi)部流態(tài)與雙向流道的流態(tài)相差無幾，進、出水流道的主流區(qū)水流都較為平順，說明盲端的長短對裝置內(nèi)的流態(tài)影響甚微。在流量為270 L/s時泵裝置達到最高效率點，最高效率為71.5%，比雙向流道的泵裝置最高效率高出0.25個百分點，這也說明了在雙向流道的泵裝置盲端損失的能量很少。所以該流道型式具有不錯的工程實用價值，在有同類要求的單向流道泵站選型時可以作為一種參考選型。

圖3　不同進水措施泵裝置外特性曲線圖

圖4　不同導(dǎo)葉葉片數(shù)泵裝置外特性曲線圖

圖5　導(dǎo)葉體流量～水力損失曲線圖

圖6　出水流道有、無隔墩泵裝置外特性曲線圖

圖7　單、雙向流道泵裝置外特性曲線比較圖

6　結(jié)語

本文對雙向立式軸流泵站的進出水流道進行三維紊流數(shù)值模擬，通過CFD流體計算軟件，采用標準紊流模型對泵裝置內(nèi)部流動和性能進行了預(yù)測。揭示了整個泵裝置內(nèi)三維流動特性，預(yù)測了裝置外特性。比較了泵裝置模型的數(shù)值模擬結(jié)果，分析進水流道進水喇叭管下方的不同防渦、消渦型式、導(dǎo)葉葉片數(shù)不同以及出水流道有無隔墩對泵裝置整體水力性能的影響，研究成果對今后的設(shè)計具有一定的參考價值■

（專欄編輯：顧梅）