顧雙 殷憲柱 劉剛 許生

摘要：為了探究喇叭管懸空高度對(duì)井筒式泵站運(yùn)行性能以及泥沙沉積的影響，采用CFX對(duì)井筒式泵站內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬。模擬過(guò)程中，將井筒式泵站內(nèi)計(jì)算流體視為固液兩相流，設(shè)計(jì)了0.3D，0.7D，1.1D和1.5D 4個(gè)不同的喇叭管懸空高度方案。計(jì)算結(jié)果表明：方案1～4中泵裝置運(yùn)行最高效率分別為76.4%、79.3%、78.5%和78.8%，方案2中泵裝置的運(yùn)行效率以及最高高效區(qū)范圍最大;方案1中存在大尺度漩渦，方案3和方案4中存在泥沙沉積現(xiàn)象，因此認(rèn)為最優(yōu)方案為方案2，該方案的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有泥沙沉積、漩渦尺度小，并且流場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、總水力損失最小。通過(guò)分析喇叭管懸空高度對(duì)井筒式泵站運(yùn)行性能和泥沙沉積情況的影響，說(shuō)明只有合適的喇叭管懸空高度，才能夠保證井筒式泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。研究成果可為工程中井筒式泵站設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān) 鍵 詞：

喇叭管懸空高度; 井筒式泵站; CFD; 泥沙淤積; 流場(chǎng)特性; 漩渦尺度

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.032

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生了越來(lái)越多的城市污水。在城市市政工程中，預(yù)制泵站得到了不斷發(fā)展和應(yīng)用，井筒式泵站則是一種常見(jiàn)的預(yù)制泵站[1]。一體化泵站采用的進(jìn)水形式是井筒式的進(jìn)水形式，但這種進(jìn)水形式泵站中的水流在從進(jìn)水管進(jìn)入到井內(nèi)的過(guò)程中，往往會(huì)比較紊亂，容易形成漩渦[2];城市污水中含有各種泥沙、雜草以及生活垃圾。由于井筒式泵站屬于小型泵站，在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)泵站長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，在井筒底部會(huì)出現(xiàn)泥沙和雜物沉積的問(wèn)題，既影響泵站的安全運(yùn)行，又會(huì)因泵站內(nèi)沉積生活垃圾產(chǎn)生的腐臭味而影響檢修，因此井筒式泵站的安全運(yùn)行和自清潔問(wèn)題一直以來(lái)是井筒式泵站面臨的亟需解決的問(wèn)題。

查智力等[3-4]針對(duì)井筒式泵站內(nèi)水泵數(shù)量、吸水管直徑對(duì)泵裝置運(yùn)行性能的影響進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬計(jì)算，得出了井筒式泵站內(nèi)水泵數(shù)量以及吸水管直徑對(duì)泵裝置性能有很大影響的結(jié)論。王東進(jìn)[5]對(duì)預(yù)制泵站與傳統(tǒng)混凝土泵站的區(qū)別進(jìn)行了對(duì)比分析和介紹。王卓穎等[6]對(duì)預(yù)制泵站進(jìn)行了優(yōu)化研究。胡凱[7]通過(guò)計(jì)算得到了預(yù)制泵站優(yōu)化后的有效容積。李文全等[8]對(duì)井筒式軸流泵站出水彎管流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，從而獲得了進(jìn)水口流量的改變對(duì)出水管道水力特性的影響規(guī)律。王默[9]采用CFD數(shù)值模擬方法，研究了不同水泵安裝位置、底部形式和導(dǎo)水錐幾何尺寸對(duì)其水力性能的影響。

目前，針對(duì)一體化泵站的研究更多的是集中在結(jié)構(gòu)改進(jìn)和推廣應(yīng)用方面，而關(guān)于一體化泵站性能優(yōu)化方面的研究卻很少。尤其是應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究有關(guān)喇叭管的懸空高度對(duì)井筒式泵站內(nèi)泥沙沉積和泵裝置運(yùn)行性能的影響，因?yàn)樵谄渌⑹奖谜局校裙艿膽铱崭叨葘?duì)于水泵的安全運(yùn)行而言是一個(gè)重要的幾何參數(shù)，但是關(guān)于井筒式泵站內(nèi)喇叭管懸空高度對(duì)于井筒式泵站運(yùn)行性能及泥沙沉積方面的影響研究目前尚未見(jiàn)到。因此，本文采用CFD數(shù)值模擬的方法來(lái)研究喇叭管懸空高度對(duì)井筒式泵站性能的影響，研究成果將有助于解決井筒式泵站內(nèi)的自清潔問(wèn)題以及安裝設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 控制方程

對(duì)井筒式泵站進(jìn)行三維全工況數(shù)值計(jì)算。流體力學(xué)的三大基本定律是質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律[10]。通常情況下，泵裝置內(nèi)的流體可以視其為不可壓縮流體，在整體流動(dòng)的過(guò)程中未考慮熱量傳遞，故可忽略能量守恒定律。流體流動(dòng)的控制方程組精確地描述了流體的各物理量在空間的分布和隨時(shí)間的演化，對(duì)于不可壓縮流體，主要是滿(mǎn)足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒。

質(zhì)量守恒方程：

ρt+（ρui）xi=0（1）

動(dòng)量方程：

（ρui）t+（ρuiuj）xj=-pxi+μ2uixixj（2）

式中：ρ為流體密度，kg/m3;ui、uj分別為流體在i、j方向上的速度分量，m/s;p為時(shí)均壓力，kPa;μ為流體的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s;xi、xj為空間坐標(biāo)分量，m。

1.2 幾何模型的建立

采用UG 9.0對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行三維幾何建模，幾何模型部件包括井筒筒體、喇叭管、葉輪、導(dǎo)葉和出水管?；鶞?zhǔn)中心選取葉輪中心為原點(diǎn)，沿進(jìn)水管進(jìn)水方向?yàn)閄方向、與筒體底部平行且垂直進(jìn)水管方向?yàn)閅方向、垂直筒體底部向上為Z方向，如圖1所示。圖1中，葉輪直徑D為120 mm，葉頂間隙為0.1 mm，輪轂直徑為48 mm、葉片數(shù)為4、葉片安放角為0°。喇叭管采用1/4橢圓，長(zhǎng)軸和短軸分別為D和0.6D，喇叭管進(jìn)口直徑為1.6D。井筒筒體直徑為10.0D，出水管直徑為D。為了探究喇叭管懸空高度對(duì)井筒式泵站運(yùn)行性能的影響，分別設(shè)置了4個(gè)方案的喇叭管懸空高度，分別為0.3D、0.7D、1.1D和1.5D。

1.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用軟件Workbench中Mesh功能，對(duì)井筒泵站筒體、喇叭管和出水管進(jìn)行幾何模型網(wǎng)格剖分;采用Turbogrid對(duì)葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖2所示。由于黏性的存在，流體邊界層分為黏性底層、過(guò)渡層，湍流層，對(duì)于高雷諾數(shù)的湍流層y+值取值為30～300[11]。根據(jù)大量類(lèi)似計(jì)算實(shí)例，應(yīng)將y+值控制在150以?xún)?nèi)，因此，本文計(jì)算模型的邊界層網(wǎng)格y+值整體控制在100左右。

在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量決定了計(jì)算結(jié)果精度的可靠性。理論上，隨著網(wǎng)格密度增大，計(jì)算結(jié)果的離散誤差減小，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確[12-13]。但是網(wǎng)格密度的增加會(huì)加計(jì)算工作量，從而造成網(wǎng)格資源的浪費(fèi);另外，計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算造成的舍入誤差也會(huì)隨之增大。為此，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，在此基礎(chǔ)上選取合適的網(wǎng)格數(shù)量，接著采用設(shè)計(jì)工況效率來(lái)評(píng)判網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性，如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)420萬(wàn)時(shí)，設(shè)計(jì)工況下的井筒式泵站效率無(wú)明顯變化，相對(duì)誤差控制在±1%以?xún)?nèi)，顯然，此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量可滿(mǎn)足計(jì)算要求，因此本文總網(wǎng)格數(shù)量采用420萬(wàn)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 計(jì)算參數(shù)及邊界條件設(shè)置

井筒式泵站主要用于污水工程中，泥沙雜質(zhì)多，本文采用自定義泥沙和水體混合液體模擬工程中的污水，泥沙采用粗砂，密度ρs為1 650 kg/m3，液相為常溫下的清水，密度ρw為997 kg/m3，混合后的密度為

ρ=1-VsV·ρs+VwV·ρw（3）

式中：Vs、Vw和V分別為固體體積、液體體積和混合體積，m3。

邊界條件對(duì)流場(chǎng)特性及漩渦流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算精度、數(shù)值計(jì)算效率和數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性都具有明顯的影響[13-14]。選擇適宜的邊界條件處理方法，對(duì)精確模擬各類(lèi)復(fù)雜流態(tài)和漩渦的特性意義重大。

將進(jìn)水管進(jìn)口設(shè)為計(jì)算模型液相進(jìn)口，液相進(jìn)口采用總壓（Total pressure）進(jìn)口條件，壓力為1個(gè)大氣壓（Total pressure=1atm）。將出水管出口設(shè)置為計(jì)算模型出口，出口采用質(zhì)量流量（mass flow rate）出口條件，根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇計(jì)算流量。在三維建模時(shí)，計(jì)算模型分為多個(gè)部分，不同部件之間需要設(shè)置交界面。除喇叭管出口和葉輪進(jìn)口、葉輪出口和導(dǎo)葉進(jìn)口之間的動(dòng)靜交界面設(shè)置為Stage，將其余靜止部件之間的交界面連接類(lèi)型設(shè)置為None。計(jì)算模型壁面條件采用光滑無(wú)滑移壁面條件，包括筒體壁面、喇叭管壁面、葉輪葉片壁面、葉輪室壁面、導(dǎo)葉葉片壁面、導(dǎo)葉室壁面、出水管壁面。葉輪頭導(dǎo)水錐壁面采用旋轉(zhuǎn)壁面（Rotating Wall），壁面轉(zhuǎn)速等于葉輪轉(zhuǎn)速。對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行初始化設(shè)置，為保證計(jì)算流體為固液混合體，將水體初始體積分?jǐn)?shù)取為0.8，將固體初始體積分?jǐn)?shù)取為0.2。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同方案的能量性能及流場(chǎng)穩(wěn)定性分析

對(duì)不同方案進(jìn)行全流量工況計(jì)算，得到了泵裝置全流量工況性能曲線(xiàn)，如圖4所示。由圖4可知：方案1、方案2、方案3和方案4的泵裝置運(yùn)行的最高效率點(diǎn)分別為76.4%、79.3%、、78.5%和78.8%，并且方案2的泵裝置運(yùn)行的高效區(qū)范圍最大。這說(shuō)明喇叭管的懸空高度為0.7D時(shí)，泵裝置的運(yùn)行效率最高。當(dāng)喇叭管懸空高度為0.3D時(shí)，因喇叭管懸空高度過(guò)小而使得泵裝置運(yùn)行效率減小;當(dāng)喇叭管懸空高度為1.1D和1.5D時(shí)，喇叭管懸空高度因過(guò)大而同樣會(huì)使得泵裝置運(yùn)行效率減小。

為進(jìn)一步分析井筒式泵站進(jìn)口的流動(dòng)穩(wěn)定性，截取進(jìn)水管中心高度的X-Y斷面進(jìn)行流場(chǎng)分析，主要是分析不同方案下X方向的速度Vx的分布及其流線(xiàn)情況，如圖5所示。

方案1～4中，井筒式泵站喇叭管懸空高度依次增大。從圖5可以看出：當(dāng)懸空高度為0.3D時(shí)，水流從進(jìn)水管進(jìn)入到井筒泵站，筒體內(nèi)出現(xiàn)了偏流，沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向偏向筒體左側(cè)，水流高速?zèng)_擊到筒體左側(cè)壁，使得筒體右側(cè)流場(chǎng)存在大尺度回流漩渦，從而造成了進(jìn)水流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，這是由于喇叭管懸空高過(guò)低，水泵吸力過(guò)大。當(dāng)喇叭管懸空高度為0.7D時(shí)，水流從進(jìn)水管能夠分左右兩股水流平穩(wěn)地進(jìn)入泵站筒體內(nèi)，水流高速進(jìn)入筒體內(nèi)，并且高速水流的范圍幾乎充滿(mǎn)整個(gè)斷面，這是由于喇叭管懸空高度較低，水泵喇叭管進(jìn)口的吸引力非常大，受葉輪旋轉(zhuǎn)作用，筒體左側(cè)的高速流場(chǎng)大于右側(cè)流場(chǎng)使得筒體右側(cè)存在很小的小尺度漩渦。當(dāng)喇叭管懸空高度繼續(xù)增大為1.1D時(shí)，由于喇叭管懸空高度增加，水泵喇叭管口吸力減小，從進(jìn)水管口進(jìn)入筒體內(nèi)的速度大幅減小，當(dāng)喇叭管懸空高度達(dá)到1.5D時(shí)，由于喇叭管口與筒體底部之間縱截面過(guò)流面積增大，水泵吸力減小使得從進(jìn)水管口進(jìn)入筒體內(nèi)的流速進(jìn)一步減小，在筒體左右兩側(cè)均存在漩渦，左側(cè)漩渦尺度相對(duì)于方案3減小，但是右側(cè)漩渦尺度相對(duì)于方案3增大非常明顯。說(shuō)明喇叭管懸空高度過(guò)大不利于進(jìn)水流場(chǎng)的穩(wěn)定分布，易誘發(fā)回流和產(chǎn)生漩渦，喇叭管懸空高度對(duì)井筒式泵站進(jìn)水流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大影響。

2.2 不同方案下的漩渦特性分析

由于流場(chǎng)分布的不均勻使得在立式泵站喇叭管下方會(huì)有附底漩渦存在的可能性，因此，對(duì)不同方案的流場(chǎng)采用Q準(zhǔn)則三維漩渦進(jìn)行了可視化處理，從而得到了不同喇叭管懸空高度方案下井筒式泵站內(nèi)可能存在的漩渦，如圖6所示。當(dāng)喇叭管懸空高度為0.3D時(shí)，在喇叭管口下方存在著很強(qiáng)的附底漩渦。根據(jù)相關(guān)立式軸流泵喇叭管下方漩渦的有關(guān)文獻(xiàn)可以知道，喇叭管懸空高度越小，漩渦持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)喇叭管懸空高度為0.7D時(shí)，在喇叭管下方存在尺度很小的附底漩渦，當(dāng)喇叭管懸度空高度增加到1.1D和1.5D時(shí)，在喇叭管下方均未發(fā)生附底漩渦。這說(shuō)明喇叭管的懸空高度增加后，可以有效避免喇叭管下方附底漩渦的發(fā)生。

通過(guò)對(duì)井筒式泵站內(nèi)漩渦進(jìn)行可視化處理，得到了不同喇叭管懸空高度下井筒式泵站喇叭管下方存在漩渦發(fā)生的可能性。為了能夠定量分析喇叭管下方漩渦強(qiáng)度的特性，采用渦量進(jìn)行評(píng)判。渦量是描寫(xiě)旋渦運(yùn)動(dòng)的重要物理量之一[15-16]，定義為流體速度矢量的旋度，漩渦通常用渦量來(lái)量度其強(qiáng)度和方向，渦量對(duì)水頭損失影響較大。對(duì)喇叭管進(jìn)口的流場(chǎng)分布和渦量分布狀況進(jìn)行了分析，圖7所示為不同方案下的喇叭管進(jìn)口流線(xiàn)分布和渦量分布的狀況。

從喇叭管進(jìn)口的渦量分布和流線(xiàn)分布可以看出：在方案1和方案2中，由于喇叭管懸空高度過(guò)低，其周?chē)鲝睦裙芩闹軈R聚流入到喇叭管內(nèi)，過(guò)低的喇叭管懸空高度增加了喇叭管下方流場(chǎng)的混摻，葉輪的旋轉(zhuǎn)作用加強(qiáng)了喇叭管下方流場(chǎng)的剪切運(yùn)動(dòng)，誘發(fā)附底漩渦產(chǎn)生，喇叭管下方的紊流強(qiáng)度大。方案3和方案4中的喇叭管進(jìn)口渦量分布和流線(xiàn)分布在當(dāng)喇叭管懸空高度增大后，喇叭管口與筒體底部之間縱截面面積增大，因此橫向匯集速度減小，周?chē)髟诶裙芸趨R聚，但是沒(méi)有明顯的混摻，水流紊流強(qiáng)度不大。工程中觀察到，喇叭管下方水流紊流強(qiáng)度越大泥沙越容易被攪拌排除，橫向流速越小，水流越穩(wěn)定，泥沙越容易沉積。

2.3 泥沙沉積含量分析

對(duì)不同方案下的井筒式泵站內(nèi)的泥沙分布情況進(jìn)行了分析，采用流體體積分?jǐn)?shù)法顯示泵站內(nèi)的泥沙分布，固體體積分?jǐn)?shù)的分布代表了井筒式泵站底部的泥沙淤積情況，如圖8所示。在方案1中，井筒底部未見(jiàn)泥沙沉積。在方案2中，在喇叭管附近存在著固體體積分?jǐn)?shù)為0.7的固液混合體，說(shuō)明在方案2下尚未形成泥沙沉積的問(wèn)題。在方案3中，當(dāng)喇叭管懸空高度增加到1.1D時(shí)，在井筒底部存在著固體體積分?jǐn)?shù)為1.0的泥沙分布，說(shuō)明在井筒底部形成了泥沙沉積;當(dāng)喇叭管懸空高度增加到1.5D時(shí)，井筒底部的泥沙沉積明顯增加。方案1～4中的泥沙分布特性說(shuō)明：喇叭管懸空高度越大，泥沙越容易沉積。

由圖7和圖8可知：喇叭管懸空高度減小后，行進(jìn)速度會(huì)增大，有利于泥沙的混摻，泥沙被充分?jǐn)噭?dòng)，隨主流被水泵抽吸排除;當(dāng)喇叭管懸空高度過(guò)大時(shí)，喇叭管與筒體底部之間的行進(jìn)空間過(guò)大，使得水流的行進(jìn)流速過(guò)小，泥沙難以被充分?jǐn)噭?dòng)與主流混摻，流速過(guò)小時(shí)，加上水泵的抽吸作用減小使得泥沙產(chǎn)生沉積;同時(shí)水中的雜草進(jìn)入泥沙中，導(dǎo)致淤積情況更加嚴(yán)重。

對(duì)喇叭管下方附底漩渦發(fā)生的情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：雖然減小喇叭管懸空高度可以減小泥沙沉積，但是喇叭管的懸空高度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致喇叭管下方產(chǎn)生附底漩渦。通過(guò)眾多工程案例和相關(guān)資料可知：附底漩渦對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行會(huì)有很大的危害，將導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和葉輪內(nèi)汽蝕，所以在井筒式泵站內(nèi)要做到既能夠有效減少泥沙沉積，又能夠保證泵裝置喇叭管下方不會(huì)產(chǎn)生附底漩渦。因此，需要選擇合適的喇叭管懸空高。

2.4 流動(dòng)內(nèi)特性分析

通過(guò)對(duì)井筒式泵站內(nèi)流動(dòng)外特性分析可知：井筒式泵站內(nèi)存在漩渦和泥沙沉積的現(xiàn)象，而不同喇叭管懸空高度影響井筒式泵站內(nèi)漩渦和泥沙情況。這些漩渦和泥沙必然對(duì)泵裝置的性能產(chǎn)生影響。因此，有必要對(duì)不同方案下的井筒泵站內(nèi)的內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

為了進(jìn)一步分析喇叭管懸空高度對(duì)井筒式泵站葉輪進(jìn)口速度分布均勻性的影響，對(duì)葉輪進(jìn)口斷面速度場(chǎng)進(jìn)行了均勻性分析。分析過(guò)程中，流速均勻度采用單元面積為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，以斷面流量為基礎(chǔ)的面積加權(quán)流速均勻度更合理[17]，所以本文采用面積加權(quán)流速分布均勻度來(lái)評(píng)判葉輪進(jìn)口流速分布情況。面積加權(quán)流速均勻度Vuna計(jì)算公式如下：

Vuna=1-1vani=1νai-va2ΔAiA（4）

式中：ΔAi為葉輪進(jìn)口斷面第i單元的面積，m2;

va為葉輪進(jìn)口斷面的平均軸向速度，m/s;

vai為葉輪進(jìn)口斷面第i單元的軸向速度m/s;

Q為進(jìn)口流量，m3/s;

A為葉輪進(jìn)口面積，m2;

va=Q/A。

圖9為采用公式（4）獲得的設(shè)計(jì)工況下不同方案的葉輪進(jìn)口斷面流速均勻度分布狀況。由圖9可以看出：設(shè)計(jì)工況下，方案1～4的葉輪進(jìn)口流速均勻度分別為88.2%、92.3%、90.50%和89.60%，可以看到在不同喇叭管懸空高度下，葉輪進(jìn)口流速的均勻度分布差異很大。

（1） 方案1中，喇叭管懸空高度最低，葉輪進(jìn)口前水流混摻強(qiáng)烈，紊流強(qiáng)度大和漩渦的存在使得葉輪進(jìn)口流場(chǎng)分布差，因此，葉輪進(jìn)口的流速均勻度最差。

（2） 方案2中，葉輪進(jìn)口流速均勻度分布最優(yōu)，方案中喇叭管懸空高度合適，水流能夠平順地從喇叭管四周匯入喇叭管內(nèi)，因此，葉輪進(jìn)口處流速均勻度高。

（3） 方案3中，流速均勻度介于方案1和方案2之間，這是由于方案3中的井筒底部存在著泥沙沉積的問(wèn)題，影響到了進(jìn)入喇叭管內(nèi)的流態(tài)。

（4） 在方案4中，葉輪進(jìn)口流速均勻度低于方案3，這是由于方案四中的喇叭管懸空高度增加了，泥沙沉積更加嚴(yán)重，對(duì)葉輪進(jìn)口的流態(tài)影響更強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)不同方案下的葉輪進(jìn)口流速的均勻度進(jìn)行分析，可以得到喇叭管懸空高度對(duì)葉輪進(jìn)口流速均勻度影響很大。

根據(jù)對(duì)不同方案下泵裝置外特性的分析，可以得到井筒式泵站內(nèi)喇叭管懸空高度對(duì)機(jī)組性能的影響。軸流泵裝置揚(yáng)程低的特點(diǎn)導(dǎo)致井筒內(nèi)的水頭損失和出水管的損失占裝置揚(yáng)程很大的比重，對(duì)水泵裝置運(yùn)行效率產(chǎn)生明顯影響。以泵裝置水力損失作為評(píng)判指標(biāo)，更進(jìn)一步地探究不同喇叭管懸空高對(duì)泵裝置的影響。水力損失計(jì)算公式如下[18]：

Δh=Pin-Poutρg（5）

式中：Δh為水力損失，m;Pin為進(jìn)口處總壓，kPa;Pout為出口總壓，kPa;ρ為水的密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)公式（5）獲得了不同方案設(shè)計(jì)工況下的總水力損失，如圖10所示。由圖10可以看出：方案1～4的總水力損失分別為0.31，0.16，0.23 m和0.26 m;方案1中泵裝置的總水力損失最大，方案2的總水力損失最小。

通過(guò)對(duì)不同方案的能量性能、流場(chǎng)特性、漩渦特性以及泥沙含量進(jìn)行分析，最終確定方案2為最優(yōu)方案;漩渦和泥沙淤積都會(huì)對(duì)泵裝置的安全運(yùn)行產(chǎn)生危害，由于泥沙淤積是持續(xù)存在，并且泥沙淤積后喇叭管口與筒體底部之間的距離減小，過(guò)流面積減小同樣造成漩渦的產(chǎn)生;而在方案2中泥沙難以淤積，同時(shí)漩渦具有不穩(wěn)定性，不是持續(xù)發(fā)生，并且泥沙沉積的危害大于漩渦的危害，因此，最優(yōu)方案為方案2。分析結(jié)果表明，只有合適的喇叭管懸空高度才能夠保證井筒式泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié) 論

針對(duì)井筒式泵站內(nèi)泥沙沉積導(dǎo)致的自清潔問(wèn)題，采用軟件CFX對(duì)井筒式泵站內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬;通過(guò)自定義流體介質(zhì)為固液兩相流，分析了井筒式泵站內(nèi)的流量工況、喇叭管懸空高度對(duì)泥沙沉積的影響及其對(duì)泵裝置性能的影響。得出如下結(jié)論。

（1） 方案1～4的泵裝置運(yùn)行的最高效率分別為76.4%、79.3%、、78.5%和78.8%，并且方案2的泵裝置運(yùn)行的高效區(qū)范圍最大。方案1～4的總水力損失分別為0.31，0.16，0.23 m和0.26 m。葉輪進(jìn)口流速均勻度分別為88.2%、92.3%、84.6%和88.6%。

（2） 在方案1和方案2中，由于喇叭管懸空高度過(guò)低，周?chē)鲝睦裙芩闹軈R聚進(jìn)入喇叭管內(nèi)，過(guò)低的喇叭管懸空高度增加了喇叭管下方流場(chǎng)的混摻，葉輪的旋轉(zhuǎn)作用加強(qiáng)了喇叭管下方流場(chǎng)的剪切運(yùn)動(dòng)，從而誘發(fā)了附底漩渦產(chǎn)生并使得喇叭管下方的紊流強(qiáng)度大。在方案3和方案4中未見(jiàn)漩渦現(xiàn)象的發(fā)生，表明喇叭管懸空高度增大后可以避免漩渦的發(fā)生。

（3） 在方案1和方案2中，井筒底部未見(jiàn)明顯泥沙沉積;在方案3和方案4中井筒底部存在泥沙沉積，而且喇叭管懸空高度越大，泥沙越容易沉積。喇叭管越小，喇叭管口下方流場(chǎng)的混摻強(qiáng)度越大，有利于泥沙被及時(shí)排除。

（4） 漩渦和泥沙淤積都會(huì)對(duì)泵裝置的安全運(yùn)行產(chǎn)生危害。由于泥沙淤積是持續(xù)存在，漩渦具有不穩(wěn)定性不是持續(xù)發(fā)生，并且泥沙沉積的危害大于漩渦的危害，因此最優(yōu)方案為方案2，這也表明，只有合適的喇叭管懸空高度，才能夠保證井筒式泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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（編輯：趙秋云）

Study on influence of suspended height of trumpet tube on operation

performance of shaft pumping station

GU Shuang1，YIN Xianzhu2，LIU Gang1，XU Sheng2

（1.Jiangsu Luoyun Water Conservancy Project Management Office，Suqian 223800，China; 2.Suqian Water Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd，Suqian 223800，China）

Abstract：

In order to explore the influence of the suspended height of the trumpet tube on the operation performance and sediment deposition of the shaft pumping station，this paper uses CFX to simulate flow characteristics in the shaft pumping station.The solid-liquid two-phase flow is adopted for the calculation fluid in the shaft pumping station.Four schemes of 0.3D，0.7D，1.1D and 1.5D of different suspended height of the trumpet tube are designed.The calculation results show that the maximum efficiency of scheme 1 to scheme 4 is 76.4%，79.3%，78.5% and 78.8% respectively，and scheme 2 has the highest operation efficiency of and the widest efficiency range.There are large-scale vortices in scheme 1，and sediment deposition in schemes 3 and 4.The optimal scheme is scheme 2，and it is characterized as no sediment deposition，small vortex scale，stable flow field structure and minimum total hydraulic loss.By analyzing influence of the suspended height of trumpet tube on the operation performance and sediment deposition of the shaft pumping station，it is found that only the appropriate suspended height of the trumpet tube can ensure the safe and stable operation of the shaft pumping station.The research results can provide some reference for the design of the shaft pumping station in the project.

Key words：

suspended height of the trumpet tube;shaft pumping station;CFD;sediment deposition;flow field characteristics;vortex scale