浅析三维湍流数值模拟在大型泵站流道设计中的应用

【摘要】大型竖井贯流泵站进、出水流道设计是否合理，影响水泵装置的安全和经济。因而竖井贯流泵站的设计对进、出水流道的设计要求较高，设计时可进行流道数值模拟或装置模型试验，三维湍流数值模拟能为合理确定大型竖井贯流泵站进、出水流道的控制尺寸提供依据。

【关键词】大型竖井贯流泵；进、出水流道；三维湍流数值模拟

一、概述

某大型泵站为单向排涝泵站，泵站总设计流量为120m3/s，拟装设2800ZGB24-2.5（叶轮直径D=2800mm，额定转速128.6r/min）竖井贯流泵5台，单泵设计流量为24 m3/s。该泵站特征水位和扬程如：

二、进水流道设计要求

由于该泵站设计流量特别大，运行水位较低，扬程小，根据国内特低扬程大型泵站布置实例，目前采用比较多的形式为轴伸贯流式、灯泡贯流式和竖井贯流式，特低扬程大型泵站流量大、装置扬程低，进、出水流道损失对装置效率影响很大，其中卧式贯流泵装置水流无立向转弯、异形收缩扩散，理论上水力性能好，较适用于特低扬程泵站。其中竖井贯流泵站因竖井为开敞式，通风、防潮条件良好，运行和维护方便，机组结构相对简单，装置效率较高等特点，近年来正逐步在国内特低扬程的大型泵站中得到应用，因此湛江市鉴江供水枢纽工程大岸泵站采用竖井贯流泵，竖井贯流泵由竖井进水流道、水泵段和出水流道组成，进水流道包括进口段、竖井段和水泵入口段组成（如图所示），对进水流道基本要求是流道断面流速分布均匀、速度环量为零，流道内无回流及有害漩涡，避免产生震动、噪音等。

进水流道设计是否合理直接影响水泵装置的安全和经济。因而竖井贯流泵站的设计对进、出水流道的设计要求较高，但目前已建成国内同类型的泵站较少，现有可参照的设计成果少，设计可进行流道数值模拟设计或装置模型试验。其中三维湍流数值模拟能合理确定流道控制尺寸和型线特征，避免不良流态产生。

三、进水流道三维湍流数值模拟

三维湍流数值模拟的计算物理模型建构包括：竖井进水流道的进口段、竖井段和水泵入口段。在模型构建前需合理给定进、出口边界条件，然后利用Pro/E构建三维物理模型，再将三维模型导入ICEM中进行网格剖分，再利用流体动力学通用计算软件Fluent6.2.2对不同的工况进行三维湍流数值模拟， 根据模拟结果分析流态和水力损失。

1、进、出口边界条件

⑴、进口边界条件：数值模拟泵站进水过流建筑物内流场时，进水边界设在前池断面，并假定进口断面水流已为充分发展的湍流，流速垂直进口断面，给定相应于设计流量的断面平均流速。进口断面湍动能kin：kin=0.5（vavgI）2式中I=0.16（ReD）-1/8，ReD、vavg为进口断面雷诺数和平均速度。

⑵、出口边界条件：将进水流道出口管道等径适当外延，并假设出口断面为已充分发展的湍流，流速垂直出口断面，采用第二类边界条件。

2、数值模拟计算结果与分析

针对该泵站竖井进水流道，基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型，利用流体动力学通用计算软件Fluent6.2.2，对6个不同工况（见表1）进行三维湍流数值模拟研究，数值模拟计算结果如下表：

为显示和对比分析竖井流道内流场，截取3个水平截面和11个横断面，截面和横断面位置如下图：

对不同流速（V=0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7）不同的断面及截面模拟绘制速度等直线图、速度矢量图及速度分布云图进行分析，6种工况的水流从流道进口至流道出口的流速逐渐增大，流线平顺，无明显回流、漩涡，流态较好，各工况相对应的各截面流速分布相识。比较发现，水流在竖井末端汇合处存在很小范围低速区，经过水泵入流段调整后至水泵入口断面也较均匀。

4、进水流道水力损失

为分析竖井进水流道水力损失，对进水流道进口断面（1-1断面）和进水流道出口断面（2-2断面列伯努利方程，断面总能量采用微元面积几圈平均法计算，水力损失？h和流道阻力系数s可下式计算，表达为：

四、出水流道型线和三维湍流数值模拟

1、出水流道型线

该泵站出水流道设计为圆形逐渐扩散为方形的直管式出水流道，出水流道型线如下图所示：

2、出水流道三维湍流数值模拟

出水流道三维湍流数值模拟的计算物理模型建构包括：水泵出口扩散段、出水流道、和闸门井段，为合理给定出水流道进、出口边界条件，将出水流道进、出口等面积直线外延。出水流道三维湍流数值模拟其物理模型、网格剖分及计算软件与进水流道相同，次不累述。

3、出水流道水力损失

对出水流道进口断面（1-1断面）和出水流道出口断面（2-2断面列伯努利方程，断面总能量采用微元面积几圈平均法计算，设计流量下出水流道的水力损失（未计闸门槽损失）计算：

五、模拟成果

大型的竖井贯流泵站进、出水流道设计始终是一工程难题，其合理的断面不断可以减少水力损失，还可以使流道内的水流流线平顺，无明显回流、漩涡，流态良好。利用三维湍流数值模拟可模拟出各种工况的内部水流特性，得到各种工况下的流场和水力损失，为合理确定大型的竖井贯流泵站进、出水流道的控制尺寸提供依据，通过本次三维湍流数值模拟，将原泵站的进、出水流道总长42.44m（含金属流道段3600mm，即水泵段）优化为39.94m（含金属流道段3600mm，即水泵段），进、出水流道共优化2.5m，可节约工程投资200余万元。模拟结果表明大岸泵站进、出水流道型线合理，水力损失小，水泵入口速度分布均匀，出水流道水流顺畅，完全满足水泵排涝要求，模拟效果十分良好。