立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

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立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

王丽慧1, 施伟1, 沈昌荣1, 徐磊2

(1.南水北调东线江苏水源有限责任公司, 江苏 南京 210029; 2.扬州大学水利与能源动力工程学院, 江苏 扬州 225009)

摘要：依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m3/s)、设计流量工况(0.299 m3/s)和大流量工况(0.360 m3/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析．结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大．

关键词：低扬程泵站;立式轴流泵;装置;流道形式;水力性能;数值分析

王丽慧, 施伟, 沈昌荣,等. 立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测[J].排灌机械工程学报,2016,34(9):767-773.

WANG Lihui, SHI Wei, SHEN Changrong,et al. Numerical analysis and prediction of hydraulic performance of vertical axial-flow pump system model[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(9):767-773.(in Chinese)

hydraulic performance;numerical analysis

低扬程泵站的特点是扬程低、流量大,故在跨流域调水、防洪排涝、水环境治理等行业应用较多．适用于低扬程泵站的泵装置型式可分为立式、斜式和卧式等3种,其中立式轴流泵装置的应用最为广泛．提高立式轴流泵装置水力性能,对保证泵站的安全、稳定和高效运行具有重要意义．衡量泵装置水力性能的指标包括外特性和内特性,泵装置的外特性一般采用传统的泵装置模型试验方法获得[1],而内特性则借助先进的测试手段获得,且耗费的周期较长、费用较高．随着CFD理论与技术的发展,数值模拟方法已在水泵、流道和泵装置内、外特性研究中得到很多应用[2]．

目前,基于CFD方法对灯泡贯流泵装置[3]、竖井贯流泵装置[4-5]、轴伸泵装置[6-7]等卧式泵装置和斜式泵装置[8]水力性能进行的研究工作较多,而对低扬程立式轴流泵装置的研究则相对较少．文献[9]对肘形进水流道与低驼峰式出水流道组成的立式泵装置内部流动进行了数值模拟;文献[10]对由肘形进水和直管式出水组成的立式泵装置不同工况时的水流流动特性进行了研究;文献[11]对立式轴流泵装置模型马鞍形区时的水流流动进行了数值模拟研究;文献[12]基于数值模拟方法比较了有、无导叶时的立式泵装置水力特性．低扬程立式轴流泵装置最常用的流道型式为肘形进水流道和虹吸式出水流道,目前对这种立式轴流泵装置内部流动和水力性能预测的研究成果更少．

南水北调东线一期工程某低扬程立式泵站的设计扬程为6.3 m,单泵设计流量为33 m3/s,采用经天津南水北调同台测试的TJ04-ZL-20号水泵模型[13],确定水泵叶轮直径为3 150 mm,水泵转速为125 r/min,进、出水流道分别采用肘形进水流道和虹吸式出水流道．文中依据该站基本参数,在其进、出水流道优化方案的基础上,对低扬程立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动进行数值分析,对泵装置外特性进行预测,并将预测结果与泵装置模型试验结果进行对比分析．

1　数值计算模型

1.1　控制方程与湍流模型

低扬程立式轴流泵装置模型内部的水流流动为不可压缩三维湍流流动,可通过求解连续性方程、动量方程(N-S方程)和引入的湍动能k方程及湍动能耗散率ε方程组成的方程组获得水流流动情况;适用于不可压缩流动的湍流模型有多种,其中RNG k-ε湍流模型具有适于计算流线曲率大、有旋转和分离流动的优点[14],已在水泵及泵装置三维湍流流动数值模拟中得到很多应用[15-17]．求解泵装置内部流动的控制方程及RNG k-ε湍流模型已在多篇文献中进行了详细描述[16-18],不再赘述．

1.2　三维建模及网格剖分

低扬程立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动计算区域包括前池、肘形进水流道、叶轮、导叶体、虹吸式出水流道和出水池等6个部分．该模型的水泵叶轮直径为300 mm,根据所述泵站水泵叶轮直径原、模型之比3 150/300=10.5,将原型泵装置几何尺寸换算至模型;采用三维造型软件Gambit对泵装置模型的计算区域进行三维建模,如图1所示．采用Gambit软件对计算区域各组成部分进行网格划分．由于进水流道、叶轮、导叶体和出水流道的几何形状复杂,故采用适应性强的非结构化网格;而前池和出水池的几何形状简单,采用结构化网格．为了减少数值计算量,对于内部流动复杂及流速变化梯度大的区域进行网格加密;对于流动简单的区域则适当减少网格数量．最终以设计工况下装置扬程变化小于1%为网格无关性判定标准,经过无关性检验,确定计算域的网格数约为3 200 000．

图1　低扬程立式轴流泵装置三维建模图

Fig.1　3D geometrical modelling of vertical low head axial-flow pump system

1.3　边界条件及计算方法

低扬程立式轴流泵装置模型流场计算的进口边界设置在前池中,距流道进口有一定距离,采用速度进口边界条件．出口边界设置在出水池中,距流道出口有一定距离,采用自由出流边界条件．前池底壁、进水流道边壁、叶轮室边壁、导叶体边壁、出水流道边壁和出水池底壁均为固壁边界,靠近固壁区域采用壁面函数进行处理．叶轮叶片表面和叶轮轮毂为旋转壁面边界,从叶轮出口向进口方向看,旋转方向为顺时针,根据原型泵装置与模型泵装置nD相等的原则,低扬程立式轴流泵装置模型水泵的旋转速度为1 312.5 r/min．前池表面和出水池表面采用对称平面进行处理;对于转动部分和非转动部分,采用多重参考坐标系模式,以解决叶轮与进水流道和叶轮与导叶体交界面的流场耦合计算．

泵装置模型内部流动的速度-压力耦合求解采用SIMPLEC算法[14],具有收敛速度较好的特点;压力项采用标准格式;速度项、湍动能项和湍动能耗散率项均采用二阶迎风差分格式;流场数值计算的残差精度为1.0×10-5．

2　泵装置进、出水流道方案

2.1　肘形进水流道

基于CFD方法对所述泵站肘形进水流道流场进行了水力优化,得到的肘形进水流道优化方案单线图,如图2所示．

图2　肘形进水流道单线图

Fig.2　Profile of elbow inlet channel

根据数值计算结果,该方案流道出口断面水流流速分布均匀度和流速加权平均角度[19]分别为98.0%和88.2°,设计流量时的流道水头损失为0.112 m．

计算得到的设计流量时的流道内部三维湍流流动情况如图3所示,可以看出流道进口至出口的流速逐渐增大,流道直线段内水流流速变化平缓、均匀;在弯曲段作90°转向时,流道内侧水流流速大、外侧水流流速小;经过流道出口段的收缩调整,流道出口断面的水流分布接近均匀且垂直于出口断面;流道内并未出现旋涡等不良流态,可为水泵的高效工作提供理想的进口水流条件．

图3　肘形进水流道流场

Fig.3　Flow field in elbow inlet channel

2.2　虹吸式出水流道

基于CFD方法对所述泵站虹吸式出水流道流场进行了水力优化,得到虹吸式出水流道优化方案单线图如图4所示．根据数值计算结果,该方案设计流量时的流道水头损失为0.294 m．

图4　虹吸式出水流道立面单线图

Fig.4　Profile of siphon outlet conduit

计算得到的设计流量时的流道内部三维湍流流动情况如图5所示.

图5　虹吸式出水流道流场

Fig.5　Flow field in siphon outlet conduit

由图5可以看出：受水泵导叶出口水流旋转的影响,水流呈螺旋状进入流道;在进口转向段内,流道内侧流速大、外侧流速小;流道上升段内水流扩散较为平缓、流速变化较为均匀;受转向的影响,驼峰底部流速大于其顶部;受到水流旋转和转向惯性的共同作用,下降段的右下侧存在低速区,水流主流偏于流道左侧及上部;流道进口至出口的断面平均流速逐渐减小,水流扩散平缓、流速变化较均匀,

流道未产生不良流态．

3　数值模拟结果及分析

基于CFD方法对水泵叶片安放角为-2°、不同工况时的低扬程立式轴流泵装置模型内三维湍流流动进行了数值模拟,分析了不同工况时的泵装置内部流动和叶轮叶片表面的压力分布情况．

3.1　泵装置内流态

根据所述泵装置原、模型之比,该立式轴流泵装置模型的设计流量为0.299 m3/s．

为了较为全面地分析泵装置内部三维湍流流动情况,在泵装置运行工况范围内,选取了3个典型的工况:小流量工况(0.180 m3/s)、设计流量工况(0.299 m3/s)和大流量工况(0.360 m3/s)，对立式轴流泵装置模型进行数值模拟,由数值计算得到3个典型工况的立式轴流泵装置模型流场图如图6所示．

图6　不同工况时立式轴流泵装置的流场

Fig.6　Flow field in pump system under different conditions

由图6a可以看出:与设计流量工况时泵装置流场相比,小流量工况时泵装置肘形进水流道内的三维湍流流动及流场分布情况与设计工况时基本相同;水泵叶轮出口水流环量大于设计工况时,导致导叶片背面产生脱流,进而影响到出水流道内的水流流动;出水流道内主流偏于左侧区域,在流道进口弯曲段的内侧及右侧区域存在局部旋涡、流道下降段的右下侧区域存在旋涡区,流道内的水流流动较为紊乱,导致水头损失增大．

由图6b可以看出:设计流量工况时,泵装置肘形进水流道进口断面至水泵叶轮室进口断面的水流流速逐渐增大,流道内的流速变化平缓均匀,肘弯段水流作90°转向时内侧流速大、外侧流速小,经流道出口段调整,叶轮室进口水流流速分布均匀且水流垂直于叶轮室进口断面;在水泵叶轮作用下,水流获得能量、流速增大,具有较大环量的水流旋转进入导叶体,在导叶体的扩散和调整作用下水流流速降低且环量减小;受到环量和水流运动惯性的共同作用,虹吸式出水流道内水流的主流偏于流道左侧及上侧,在流道出口段的右下侧存在很小范围的旋涡;设计流量工况时肘形进水流道、虹吸式出水流道分别计算时的流场与泵装置计算中的进、出水流道流场基本一致．

由图6c可以看出:与设计流量工况时泵装置流场相比,大流量工况时泵装置肘形进水流道内的三维湍流流动及流场分布情况与设计工况时基本相同;水泵叶轮出口水流环量小于设计工况时,导致导叶片正面产生脱流;受水流转向惯性和水流环量的影响,出水流道内主流偏于流道上部区域,流道下部流速较低且存在较大范围的旋涡区,导致流道水头损失增大．

3.2　叶轮叶片表面压力

由数值计算得到的3个典型工况时水泵叶轮叶片压力面、吸力面的静压分布分别如图7,8所示．由图7a,8a可以看出:小流量工况时,叶片压力面进口靠近轮缘侧存在压力较高的狭长区,吸力面进口靠近轮缘处存在范围很小的局部低压区;叶片压力面的进口至中后部分的轮毂侧压力低、轮缘侧压力高,出口部分的压力分布较均匀;叶片吸力面的压力等值线为径向方向,由进口至出口逐渐增加;相较于设计流量工况,叶片压力面与吸力面的压力差增大．

图7　不同工况时水泵叶轮叶片压力面静压分布

Fig.7　Static pressure distribution on blade pressure side under different conditions

图8　不同工况时水泵叶轮叶片吸力面静压分布

Fig.8　Static pressure distribution on blade suction side under different conditions

由图7b,8b可以看出:设计流量工况时,受到水流撞击的影响,在水泵叶轮叶片压力面和吸力面的进口靠近轮缘侧存在狭长的高压区;叶片压力面轮毂侧的压力低、轮缘侧的压力高,进口到出口的压力略有上升;叶片吸力面的压力等值线为径向方向,压力由进口开始逐渐降低,在接近于叶片中部的位置达到最低,后开始逐渐上升直至叶片出口;压力面的压力大于吸力面的．

由图7c,8c可以看出:大流量工况时,叶片压力面进口处存在狭长的低压区,吸力面进口处存在狭长的高压区;叶片压力面的压力由进口至出口略有增高,总体上分布均匀;叶片吸力面的压力由进口至出口先降低再增高,在叶片中部靠近轮毂侧的压力最低;与设计流量工况时相比,叶片压力面与吸力面的压力差降低．

4　泵装置效率预测及验证

基于CFD方法对低扬程立式轴流泵装置模型叶轮叶片安放角为-2°时的泵装置能量性能进行了预测,在泵装置运行范围内选取5个工况点,由泵装置各工况点的流量、进口总压、出口总压、叶轮转动力矩和叶轮转速,计算各工况点对应的泵装置扬程和泵装置效率,根据计算结果绘制的泵装置效率-流量曲线如图9所示．

图9　泵装置效率预测结果及与模型试验结果比较

Fig.9　　　　Comparison of pump system efficiency

between prediction and test

泵装置模型试验是检验泵装置水力性能的有效手段．所述低扬程立式轴流泵装置模型试验在河海大学水力机械多功能试验台进行,试验台具体参数见文献[20]．根据试验规程[21]共进行了5个叶片安放角的试验,试验得到的泵装置模型综合性能曲线[22]如图10所示,可以看到该泵装置模型的最高效率超过78.5%, 且高效区范围宽．

将所述泵装置模型在叶片安放角为-2°时的泵装置效率-流量试验结果与数值计算预测结果进行比较,结果如图9所示.由图可以看到:数值计算结果与模型试验结果的趋势基本一致,最优工况点附近的泵装置效率较为接近,偏离最优工况点的泵装置效率相差较大,在计算范围内两者最大差值不超过2%．

图10　立式轴流泵装置模型综合性能曲线

Fig.10　Comprehensive performance curve of pump system model

5　结　论

1) 基于CFD方法,对由肘形进水流道、轴流泵模型和虹吸式出水流道组成的立式轴流泵装置模型的效率进行了数值计算预测,结果与该装置模型试验结果基本一致．

2) 设计流量工况时,泵装置肘形进水流道和虹吸式出水流道内的三维湍流流动情况,与肘形进水流道和虹吸式出水流道分别进行数值计算时的三维湍流流动情况基本一致．

3) 不同运行工况时,泵装置肘形进水流道内的流场分布情况相同;偏离设计流量工况时的泵装置虹吸式出水流道内产生旋涡,导致水流紊乱,增加了出水流道的水头损失．

参考文献(：References)

[1]　施卫东, 张德胜, 关醒凡, 等. 后置灯泡式贯流泵装置模型的优化与试验研究[J]. 水利学报, 2010,41(10): 1248-1254.

SHI Weidong, ZHANG Desheng, GUAN Xingfan, et al. Optimization and experimental investigation on post bulb type tubular pump device model[J]. Journal of hydraulic engineering, 2010,41(10):1248-1254.(in Chinese)

[2]　成立, 薛坚, 刘超, 等. CFD技术在泵装置水力优化设计中的应用[J]. 南水北调与水利科技, 2007,5(3): 33-37.

CHENG Li, XUE Jian, LIU Chao, et al. Application of CFD on hydraulic optimal design of pumping station[J]. South-to-North water transfers and water science & technology, 2007,5(3):33-37.(in Chinese)

[3]　金燕, 梁豪杰, 刘超, 等. 前置灯泡贯流泵装置内部流动数值模拟[J]. 扬州大学学报(自然科学版), 2013, 16(1): 71-74.

JIN Yan, LIANG Haojie, LIU Chao, et al. Numerical simulation of the internal flow of pre-positive bulb tubular pumping system[J]. Journal of Yangzhou University (natural science edition), 2013,16(1):71-74.(in Chinese)

[4]　郑源, 肖玉平, 刘文明, 等. 大型竖井式贯流泵装置的数值模拟与性能预测[J]. 排灌机械, 2009, 27(6): 393-397.

ZHENG Yuan, XIAO Yuping, LIU Wenming, et al. Numerical simulation and performance prediction for large-scale shaft-well tubular pump unit[J]. Drainage and irrigation machinery, 2009, 27(6): 393-397. (in Chinese)

[5]　杨帆, 刘超, 汤方平, 等. 竖井贯流泵装置内部流动数值模拟与性能分析[J]. 水力发电学报, 2014,33(1): 178-184.YANG Fan, LIU Chao, TANG Fangping, et al. Numeri-cal simulation of 3D internal flow and performance ana-lysis of the shaft tubular pump system[J]. Journal of hydroelectric engineering, 2014,33(1):178-184.(in Chinese)

[6]　刘超, 杨帆, 金燕, 等. 高效 S 形轴伸贯流泵装置内流动特性研究[J]. 水力发电学报, 2014,33(5):198-203.

LIU Chao, YANG Fan, JIN Yan, et al. Numerical study on high efficiency S-shaped shaft extension tubular pump system[J]. Journal of hydroelectric engineering, 2014,33(5):198-203.(in Chinese)

[7]　李龙, 王泽. 轴伸式贯流泵装置全流场三维湍流数值模拟[J]. 机械工程学报, 2007, 43(10): 62-66.

LI Long, WANG Ze. Numerical simulation of 3D viscous flow in tubular pumping station on dual-directional operation[J]. Chinese journal of mechanical enginee-ring, 2007,43(10):62-66.(in Chinese)

[8]　WANG Zhengwei, PENG Guangjie, ZHOU Lingjiu, et al. Hydraulic performance of a large slanted axial-flow pump[J]. Engineering computations, 2010,27(2):243-256.

[9]　LI Yaojun, WANG Fujun. Numerical investigation of performance of an axial-flow pump with inducer[J]. Journal of hydrodynamics, Ser B, 2007,19(6):705-711.

[10]　杨帆, 刘超, 汤方平, 等. 大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分析[J]. 农业机械学报, 2011, 42(5): 39-43.

YANG Fan, LIU Chao, TANG Fangping, et al. Characteristics of flow in large vertical axial flow pumping system[J]. Transactions of the CSAM, 2011, 42(5): 39-43. (in Chinese)

[11]　刘君, 华学坤, 郑源, 等. 低扬程立式轴流泵装置模型马鞍形区研究[J]. 南水北调与水利科技, 2011,9(4): 34-38.

LIU Jun, HUA Xuekun, ZHENG Yuan, et al. Study on performance of saddle zone in low lift vertical axial flow pump system model[J]. South-to-North water transfers and water science & technology, 2011,9(4):34-38.(in Chinese)

[12]　冯俊, 郑源, 罗欣. 后置导叶对立式轴流泵装置性能影响[J]. 水电能源科学, 2012, 30(8): 126-128.

FENG Jun, ZHENG Yuan, LUO Xin. Effects of guide vane on performance of axial flow pump system[J]. Water resource and power, 2012,30(8):126-128.(in Chinese)

[13]　刘宁, 汪易森, 张纲. 南水北调工程水泵模型同台测试[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.

[14]　王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[15]　ZHANG Desheng, SHI Weidong, CHEN Bin, et al. Unsteady flow analysis and experimental investigation of axial-flow pump[J]. Journal of hydrodynamics, Ser B, 2010, 22(1): 35-43.

[16]　任嘉,张瑶,沈正帆. 基于修正RNG k-ε模型的叶片泵非设计工况数值模拟[J]. 舰船科学技术, 2014,36(10):101-105.

REN Jia,ZHANG Yao,SHEN Zhengfan. Numerical prediction for performance of centrifugal pump under off-design operation with modified RNG k-ε turbulence mo-del[J]. Ship science and technology, 2014,36(10):101-105.(in Chinese)

[17]　TANG Fangping, WANG Guoqiang. Influence of outlet guide vanes upon performances of waterjet axial-flow pump[J]. Journal of ship mechanics, 2006,10(6): 19-26.

[18]　朱荣生, 胡自强, 付强. 双叶片泵内压力脉动的数值模拟[J]. 农业工程学报, 2010, 26(6): 129-134.

ZHU Rongsheng, HU Ziqiang, FU Qiang. Numerical simulation of pressure fluctuation in double-blade pump[J]. Transactions of the CSAE, 2010,26(6):129-134.(in Chinese)

[19]　陆林广. 高性能大型低扬程泵装置优化水力设计[M].北京: 中国水利水电出版社, 2013

[20]　张德虎, 廖锐, 陈新方. 水力机械多功能模型试验台[J]. 能源研究与利用, 2002(4): 30-48.

ZHANG Dehu, LIAO Rui, CHEN Xinfang. Model test rig for hydraulic mechanical multi function[J]. Energy research and utilization, 2002(4):30-48.(in Chinese)

[21]　中华人民共和国水利部. 水泵模型及装置模型验收试验规程:SL 140—2006[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007.

[22]　河海大学. 南水北调东线工程泗阳泵站水泵装置模型试验研究报告[R]. 南京: 河海大学, 2010.

(责任编辑　张文涛)

Numerical analysis and prediction of hydraulic performance of vertical axial-flow pump system model

WANG Lihui1, SHI Wei1, SHEN Changrong1, XU Lei2

(1.Jiangsu Water Source Company Ltd. of the Eastern Route of the South-to-North Water Diversion Project, Nanjing, Jiangsu 210029, China; 2.School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China)

Abstract：Relying on the design parameters of a low head pumping station in the first phase of east route in the South-to-North Water Diversion Project, the flow in a low head vertical flow pump system model, which consists of an elbow inlet channel, axial flow pump itself and siphon outlet conduit, is simulated based on the steady 3D turbulent Reynolds averaged N-S equations and RNGk-ε turbulence model. The flow pattern in the model and the pressure distribution on the impeller blade surfaces are analyzed under three typical conditions, namely, small discharge (0.180 m3/s), design discharge (0.299 m3/s) and large discharge (0.360 m3/s). The hydraulic performance of the pump model is predicted and compared with the test results. The results indicate that the numerical results are basically consistent with the test data, especially at the best efficiency point, and the maximum error is less than 2% within the flow rate interested. Under design flow condition, the 3D turbulent flows in the inlet and outlet conduits are basically the same as the flows in the inlet and outlet conduits when they are simulated separately. The flow fields in the inlet conduit remain the same under different operating conditions, but not in the outlet conduit.

Key words：low head pumping station;vertical axial flow pump;pump system;conduit form;

王丽慧

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0051

收稿日期：2016-03-10; 网络出版时间： 2016-09-14

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51309200)； 中国博士后科学基金资助面上项目(2013M540469); 江苏省博士后科研资助计划项目(1301021A)

作者简介：王丽慧(1973—)，女，江苏宜兴人，高级工程师([email protected])，主要从事泵站工程技术与建设管理研究.

施伟(1980—)，男，江苏盐城人，高级工程师，博士(通信作者，[email protected])，主要从事泵站工程技术与建设管理研究.

中图分类号：S277.9

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2016)09-0767-07

网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20160914.1329.004.html