王勝己

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

某水廠一期工程的二級(jí)泵房吸水井在建設(shè)時(shí)，因施工問題，吸水井及泵房被抬高1.5 m，存蓄水量無法用足，導(dǎo)致清水池最低運(yùn)行液位需比原設(shè)計(jì)值高1.5 m。目前，清水池運(yùn)行過程中，液位處于-6 m時(shí)，二級(jí)泵房可正常運(yùn)行，直接觀察吸水井狀況，井內(nèi)水面無任何夾氣現(xiàn)象，水泵無振動(dòng)，多年運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)水泵氣蝕。但水廠實(shí)際未曾將運(yùn)行液位進(jìn)一步降低，以判斷水泵可運(yùn)行的最低液位。如能判定最低運(yùn)行液位，則意味著清水池液位可進(jìn)一步降低，具有更多的調(diào)蓄容積，有利于整個(gè)水廠的運(yùn)行安全、穩(wěn)定、高效。

現(xiàn)階段的研究集中在對(duì)吸水井尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]和運(yùn)行過程中產(chǎn)生問題的思考總結(jié)。顧軍明[2]通過實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)吸水井的布置經(jīng)驗(yàn)提出自己的總結(jié)；張華生[3]通過分析泵站水泵運(yùn)行效率較低的原因，提出了提高吸水井液位等以減少水泵揚(yáng)程的浪費(fèi)；王家民[4]總結(jié)了給水廠二泵吸水井工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)。還有很多學(xué)者運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)流態(tài)進(jìn)行研究[5-7]。但是，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法探究不同液位對(duì)二級(jí)泵房吸水井出水效果影響，以及利用壓力場(chǎng)、湍流黏度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析的相關(guān)研究較少。因此，本文運(yùn)用數(shù)值模擬方法，選取3種不同高度液位，對(duì)二級(jí)泵房吸水井的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍流黏度場(chǎng)及速度矢量場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，其結(jié)果對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作具有較強(qiáng)的參考價(jià)值，有利于降低工程試錯(cuò)成本，為進(jìn)一步降低最低運(yùn)行液位提供技術(shù)支撐。

1 模型建立

1.1 構(gòu)造模型

模型按照吸水井實(shí)型并進(jìn)行合理簡化后，采用Ansys16.0軟件建立。模型長為20.3 m，寬為6 m，高為H，如圖1所示。

圖1 吸水井模型建立Fig.1 Modeling of Suction Well

在液位處于-6 m時(shí)，二級(jí)泵房正常運(yùn)行，即此時(shí)H=3.6 m，定為工況一。為判定可運(yùn)行的最低液位，需對(duì)模型進(jìn)行修改，即建立另外2種新的模型，分別為工況二(H=3.3 m)和工況三(H=3.0 m)。吸水井進(jìn)口尺寸為1.6 m×1.6 m，吸水井出口即喇叭口為一同心異徑管，尺寸為DN1200×DN1800。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用Ansys軟件中Mesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)整個(gè)個(gè)體(吸水井模型)采用混合網(wǎng)格，即采用四面體和正六面體混合。網(wǎng)格數(shù)量劃分太多會(huì)造成計(jì)算時(shí)間大幅增加，嚴(yán)重消耗計(jì)算機(jī)內(nèi)存。網(wǎng)格數(shù)量較少，又會(huì)造成結(jié)果不準(zhǔn)確，不能很好地表達(dá)整個(gè)空間的流場(chǎng)情況。因此，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立化檢驗(yàn)后，對(duì)整個(gè)體網(wǎng)尺寸控制為0.2 m，對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，尺寸控制在0.1 m，最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，共64萬個(gè)網(wǎng)格。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，并運(yùn)用Fluent對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。未采用非穩(wěn)態(tài)模型是因?yàn)檠芯繉?duì)象是在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)，與吸水井液位高低關(guān)系密切，而與同一液位時(shí)，二級(jí)泵房的運(yùn)行時(shí)間長短無關(guān)，故采用穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬較符合實(shí)際。

圖2 吸水井模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of Suction Well Model

1.3 邊界條件

該水廠二級(jí)泵房土建按照28萬m3/d規(guī)模建成，吸水井2個(gè)喇叭口分別連接2臺(tái)現(xiàn)狀離心變頻泵，流量均為1.62 m3/s，而吸水井僅有一個(gè)方形進(jìn)口，尺寸為1.6 m×1.6 m，換算得出進(jìn)口流速為1.266 m/s。

模型唯一水流進(jìn)口采用速度入口，2個(gè)出口采用壓力出口，不固定出口的某一速度值是由于采用穩(wěn)態(tài)模型，整個(gè)模型最終會(huì)達(dá)到壓力平衡，質(zhì)量守恒且進(jìn)出口流量守恒，這樣更符合實(shí)際工況。其他表面均設(shè)為wall，但需要說明的是，模型的上表面實(shí)際上是水面與空氣表面的交界面，在此處假設(shè)為wall與實(shí)際情況略有區(qū)別。在實(shí)際情況中，當(dāng)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，特別是二級(jí)泵房正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水面的波動(dòng)很小，水面與空氣的質(zhì)換也很小，此時(shí)假設(shè)交界面為wall不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果造成太大影響；當(dāng)水面波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象，這也是二級(jí)泵房設(shè)計(jì)和運(yùn)行中最為擔(dān)心的問題，一旦出現(xiàn)夾氣，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氣蝕，影響水泵壽命。而深究其原因?yàn)槭芰Σ痪m然將上表面設(shè)定為平面，在穩(wěn)態(tài)單相模擬中無法體現(xiàn)質(zhì)的交換，但其仍可反映交界面或任意面的受力情況。因此，將模型的氣液交界面定義為wall平面，既能真實(shí)地體現(xiàn)實(shí)際流動(dòng)情況，又減少了計(jì)算所需內(nèi)存，加快了計(jì)算時(shí)間。

2 參數(shù)分析

對(duì)于流場(chǎng)的判定，速度云圖最為直觀，該參數(shù)可較清晰地看出整個(gè)空間流場(chǎng)的速度分布情況，此時(shí)的速度只有大小沒有方向，數(shù)值為該點(diǎn)的速度矢量在該平面的投影數(shù)值。速度矢量圖可表示任一點(diǎn)的速度大小和方向，但是受制于圖片的二維表達(dá)，不容易直觀看出整體的流動(dòng)情況。通過兩者云圖的觀察，可判定不同模型不同工況下流場(chǎng)的相似性。

流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力為密度差和壓力差，同一種物質(zhì)在相同溫度下的流動(dòng)問題，驅(qū)動(dòng)力只有壓力差，即為該研究對(duì)象流動(dòng)的情況。速度場(chǎng)的分布與壓力場(chǎng)密切相關(guān)，可通過壓力場(chǎng)的分布研究流體的流動(dòng)情況。在湍流時(shí)，流體內(nèi)部充滿了有大有小的旋渦，流體質(zhì)點(diǎn)不規(guī)則遷移、脈動(dòng)和碰撞，使流體質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量交換非常劇烈，這就是湍流應(yīng)力，其與湍流黏度正相關(guān)，計(jì)算如式(1)。湍流黏度是指當(dāng)流體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，隨機(jī)脈動(dòng)造成的強(qiáng)烈渦團(tuán)擴(kuò)散和級(jí)聯(lián)散列。

(1)

其中：τ——湍流應(yīng)力，Pa；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，物性參?shù)，Pa·s；

e——湍流黏度，Pa·s；

u——速度，m/s；

y——距離，m。

因此，湍流黏度越大，湍流切應(yīng)力越大，流體就會(huì)表現(xiàn)出更多更大的渦旋，繼而產(chǎn)生層與層之間劇烈的動(dòng)量交換。在此模型中，如果上層平面湍流黏度大，雖然交界面定義為固體平面，但仍舊會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)旋渦，大概率產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象。

綜上，對(duì)此問題研究應(yīng)采用速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和湍流黏度場(chǎng)的對(duì)比分析，可得判定最低運(yùn)行液位的依據(jù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3～圖4所示。圖3為不同液位高度時(shí)不同平面的速度云圖，圖4為不同工況下的壓力云圖。3種工況區(qū)別在于不同的H，即不同的最低運(yùn)行液位；h為某一種工況下，取不同液位橫截面的高度值，如H=3.0 m、h=2.0 m，是在運(yùn)行液位為3.0 m的工況下，液位高度為2.0 m處橫截面的參數(shù)情況。在h=2.0、1.5 m時(shí)，3種不同工況下速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)相似；在h=2.5 m時(shí)，工況一和工況二速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)相似，但有別于工況三。這是因?yàn)楣r一運(yùn)行液面較高，最低液位處于3.6 m，與h=2.5 m的液面距離氣液分界面高度差大，因此，對(duì)速度場(chǎng)的影響較小。但工況三在h=2.5 m時(shí)距離液面只有0.5 m，由于受到較大的壓力波動(dòng)，此液面變化較大，影響了整個(gè)空間流體流動(dòng)，這也與最低運(yùn)行液位越低，越可能產(chǎn)生夾氣的實(shí)際現(xiàn)象吻合。當(dāng)所取液面較低(h=2.0 m)時(shí)，與氣液分界面越遠(yuǎn)，影響越小。所以，研究重點(diǎn)可放在靠近氣液分界面的位置，當(dāng)不同工況不同參數(shù)所示云圖，距離氣液分界面越近的面，相似性越高，則2種工況流態(tài)相似性越高。

圖3 不同工況不同平面速度云圖Fig.3 Cloud Diagrams of Different Plane Speed under Different Working Conditions

圖4 不同工況不同平面壓力云圖Fig.4 Cloud Diagrams of Different Plane Pressure under Different Working Conditions

此處采用湍流黏度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。工況一在h=2.5 m的條件下，平面湍流應(yīng)力在出口處即水泵入口處較大，越遠(yuǎn)離出口，湍流應(yīng)力越小，且梯度分布明顯。這說明此時(shí)流動(dòng)有序，在出口處易產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象。隨著H的降低，湍流黏度場(chǎng)越無序，且在兩出口中間位置梯度變化越大，將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的波動(dòng)，極可能產(chǎn)生質(zhì)的交換。

圖5 不同工況下同一液位高度的湍流黏度場(chǎng)Fig.5 Turbulent Viscosity Field at Same Liquid Level under Different Working Conditions

因此，若將清水池最低運(yùn)行液位由3.6 m降低至3.3 m基本可行，但若需降至3.0 m有一定風(fēng)險(xiǎn)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步降低清水池最低運(yùn)行液位，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮采用增加隔板或加設(shè)彎頭的做法，建模工況四如圖6所示。工況四在工況三的基礎(chǔ)上，吸水井出口處增設(shè)45°彎頭，使吸水面降低，平面越低流動(dòng)越穩(wěn)定，由此，可使最低運(yùn)行液位降低。圖7為工況五模型，是在工況三的基礎(chǔ)上，出口頂部設(shè)置長隔板，隔板寬度為2 m，相當(dāng)于將氣液界面分隔開，使氣體難以進(jìn)入出口而形成夾氣，同時(shí)，減少隔板下部水流的豎向作用，使流動(dòng)更有序。

圖6 吸水井工況四模型Fig.6 Model of Suction Well under Working Condition 4

圖7 吸水井工況五模型Fig.7 Model of Suction Well under Working Condition 5

由圖8可知，增加彎頭后進(jìn)口高度發(fā)生變化，在h=2.5 m時(shí)，工況五較工況四流動(dòng)更均勻，工況四出口位置發(fā)生變化，雖然在此高度湍流應(yīng)力較大，但模擬過程中發(fā)現(xiàn)，在較低的進(jìn)口處，流態(tài)良好。工況五的湍流應(yīng)力表現(xiàn)為水流與隔板的作用力，并未與氣體接觸，且從流場(chǎng)觀察，流態(tài)良好。

為進(jìn)一步分析5種工況的流態(tài)情況，對(duì)比5種不同工況下的速度矢量圖，如圖9所示。工況一和二流動(dòng)較均勻且相似。工況三在出口處速度在大小和方向上變化明顯，速度梯度分布較大，易形成湍流漩渦極可能產(chǎn)生夾氣。工況五受到隔板阻隔作用，相比于工況三，流動(dòng)更均勻，梯度較小，出口區(qū)域流動(dòng)穩(wěn)定，同時(shí)隔板還可以有效減小水面與空氣接觸面積，降低夾氣風(fēng)險(xiǎn)，此種方式需要注意隔板受力及需采用合理的固定方式。工況四與工況三相似，由于進(jìn)口采用彎頭，進(jìn)口液位相對(duì)降低，同樣降低了夾氣的可能，但需要注意出口高度不可過低，過低可能產(chǎn)生較大的水流渦旋，同樣不利于水泵均勻進(jìn)水，水泵效率降低，嚴(yán)重時(shí)使池底沖刷，同樣引發(fā)氣蝕，影響運(yùn)行安全。由圖8～圖9可知，工況一、二流態(tài)相似，工況三流態(tài)相對(duì)較差，但在工況三基礎(chǔ)上增設(shè)隔板或彎頭，可降低水面與空氣面接觸面積，從而降低夾氣可能性，增設(shè)擋板還可一定程度上優(yōu)化流態(tài)，使流動(dòng)更均勻。

圖8 不同工況下同一液位高度云圖Fig.8 Cloud Diagram of Different Parameters at Same Liquid Level under Different Working Conditions

圖9 不同工況下同一液位高度速度矢量圖Fig.9 Speed Vector Diagram at Same Liquid Level under Different Working Conditions

5 結(jié)語

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，研究二級(jí)泵房吸水井不同液位對(duì)吸水效果的影響。通過對(duì)上述5種不同工況的模擬，對(duì)模擬結(jié)果對(duì)比分析可知，在清水池液位處于-6 m正常運(yùn)行(H=3.6 m)的前提下，當(dāng)不采用其他措施時(shí)，此清水池最低運(yùn)行液位可考慮降低0.3 m至-6.3 m，當(dāng)采用增加隔板和設(shè)置45°彎頭的措施時(shí)，可考慮將清水池最低運(yùn)行液位降低0.6 m至-6.6 m。在增加其他措施時(shí)是否可進(jìn)一步降低，還需進(jìn)一步論證。

運(yùn)行液位過低，不利于二級(jí)泵房水泵的運(yùn)行，當(dāng)液位降至一定程度時(shí)，將大概率產(chǎn)生夾氣現(xiàn)象，此時(shí)采用增加隔板和增設(shè)彎頭的方式，可增加運(yùn)行的安全性，大大降低夾氣發(fā)生的概率。

對(duì)于此種問題采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并加入速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍流黏度進(jìn)行分析，可以較準(zhǔn)確地反映整個(gè)流場(chǎng)的情況且可較清楚地闡釋運(yùn)行液位變化時(shí)流態(tài)變化的原理。該種分析方法對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。