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摘要:為解決國(guó)內(nèi)某泵站進(jìn)水池內(nèi)不良流態(tài)的問題,本文運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法,通過在進(jìn)水池內(nèi)設(shè)置隔墩等手段,設(shè)計(jì)了3個(gè)優(yōu)化方案。優(yōu)化結(jié)果表明:隔墩能起到很好的整流作用,但因其位置、長(zhǎng)度、數(shù)量的不同,得到的整流效果也會(huì)有差異;進(jìn)水池的形狀對(duì)水的流態(tài)影響較大,特別是“急轉(zhuǎn)角”等形狀,大概率會(huì)引起脫流、漩渦等不良流態(tài);優(yōu)化方案3解決了進(jìn)水池內(nèi)存在的大漩渦問題,額定工況下,5#泵機(jī)組在水力損失值上相較于原方案減小了約44%。
關(guān)鍵詞:泵站;進(jìn)水池;隔墩;數(shù)值模擬;漩渦
引言
泵站的進(jìn)水方式可分為側(cè)向進(jìn)水和正向進(jìn)水。在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于環(huán)境條件的限制,一般采用側(cè)向進(jìn)水的方式,但該方式常伴有漩渦、回流等不良的情況[1]。為了解決該問題,大量整流措施被提出。其中,設(shè)置導(dǎo)流板[2]、隔墩[3-5]、導(dǎo)流柵[6-7]、底坎[8-10]和立柱[10-11]等措施應(yīng)用較多。國(guó)內(nèi)某泵站采用了5臺(tái)潛水軸流泵機(jī)組,當(dāng)所有機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí),發(fā)現(xiàn)有一臺(tái)機(jī)組會(huì)超功率運(yùn)行,但單獨(dú)運(yùn)行該機(jī)組時(shí),該機(jī)組正常。該泵站的進(jìn)水池應(yīng)用了側(cè)向進(jìn)水的方式,初步判定是進(jìn)水池設(shè)計(jì)不合理造成的。本文應(yīng)用CFD數(shù)值模擬的方法,對(duì)該問題進(jìn)行了分析。
1泵站基本參數(shù)
該泵站共有5臺(tái)潛水軸流泵機(jī)組,單機(jī)流量12m3/s,設(shè)計(jì)總流量60m3/s,泵站進(jìn)水池的布置如圖1所示。
2模型建立及求解器設(shè)置
為了計(jì)算的準(zhǔn)確性,計(jì)算模型為實(shí)物1∶1建立,包括泵站3個(gè)進(jìn)口閘門隔墩、側(cè)向進(jìn)水池、進(jìn)水流道、5臺(tái)泵機(jī)組等。為了消除出口對(duì)流道的影響,將出口向水流方向延長(zhǎng)了直徑的5倍距離。泵站進(jìn)水池計(jì)算區(qū)域如圖2所示。采用k-ε湍流模型,進(jìn)水池的入口邊界條件為總壓入口,大小為1atm;每個(gè)泵機(jī)組的出口邊界條件均設(shè)置為質(zhì)量流量出口,大小為單機(jī)額定流量12m3/s;壁面為靜止壁面,應(yīng)用無滑移條件;液面為自由水面,設(shè)為對(duì)稱邊界條件。
3內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析
31流道性能計(jì)算結(jié)果
在額定流量12m3/s工況下,提取模擬計(jì)算得到5個(gè)泵機(jī)組出口斷面的壓力,根據(jù)公式計(jì)算得到1#-5#泵機(jī)組流道的水力損失分別為01223m、01291m、01219m、01391m、02419m。計(jì)算結(jié)果表明:1#-3#泵機(jī)組流道的水力損失基本一致,4#泵機(jī)組流道的水力損失稍高,5#泵機(jī)組流道的水力損失表現(xiàn)異常。這與5臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí),5#泵機(jī)組運(yùn)行不正常的情況相符。
32流道流線分析
在額定流量工況下,進(jìn)水池內(nèi)部速度流場(chǎng)如圖3所示。模擬計(jì)算結(jié)果表明,5#泵機(jī)組前進(jìn)水池內(nèi)有一個(gè)直徑很大的漩渦,該漩渦幾乎堵住了5#泵機(jī)組的進(jìn)水,造成該泵機(jī)組流道的堵塞,且該漩渦也直接影響了4#泵機(jī)組的進(jìn)水條件,在進(jìn)水池中靠近4#泵機(jī)組的流道內(nèi)也出現(xiàn)了流道堵塞的現(xiàn)象。在5#泵機(jī)組前的大漩渦后,形成了一個(gè)反向漩渦,該反向漩渦同時(shí)也占用了閘門前的整個(gè)流道。這個(gè)現(xiàn)象和前文計(jì)算的流道水力損失結(jié)果相呼應(yīng)。
4優(yōu)化模型數(shù)值計(jì)算
41優(yōu)化方案
1數(shù)值計(jì)算針對(duì)5#泵機(jī)組前的大漩渦,考慮在進(jìn)水池內(nèi)圖3進(jìn)水池流線圖增加3個(gè)“L”形的隔墩整流,隔墩厚度為06m,高度至常內(nèi)澇水位。具體位置及形狀如圖4所示。該方案求解器的設(shè)置與原方案一致。在額定流量12m3/s工況下,1#-5#泵機(jī)組流道的水力損失分別為01252m、01565m、01257m、01181m、01696m,雖然4#、5#泵機(jī)組的水力損失有所下降,但2#泵機(jī)組的水力損失卻有所提升。優(yōu)化方案1流場(chǎng)如圖5所示,可以看出,5#泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)的大漩渦依然存在,僅比原方案的直徑小一點(diǎn),但該漩渦對(duì)4#泵機(jī)組的影響較小。針對(duì)以上現(xiàn)象,可以得出以下3點(diǎn)猜測(cè):(1)隔墩在該進(jìn)水池內(nèi)一定程度上起到了導(dǎo)流的作用;(2)隔墩過長(zhǎng)或者空間位置不對(duì),導(dǎo)致水流分配不均,引起了2#泵機(jī)組水力損失的增加;(3)轉(zhuǎn)角1處的形狀至關(guān)重要,對(duì)5#泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)大漩渦的形成起到了關(guān)鍵的作用。
42優(yōu)化方案
2數(shù)值計(jì)算針對(duì)優(yōu)化方案1得出的猜測(cè),對(duì)進(jìn)水池做出了以下幾點(diǎn)修改:(1)加大倒角2處的圓弧半徑,在倒角1處增添一個(gè)圓弧倒角;(2)縮短了隔墩2、隔墩3的長(zhǎng)度,并更改了3個(gè)隔墩的空間位置,具體的更改情況如圖6所示。該方案求解器的設(shè)置與原方案一致。在額定流量12m3/s工況下,1#-5#泵機(jī)組流道的水力損失分別為01128m、01246m、01255m、01556m、01432m。相較于原方案,優(yōu)化方案2的5#泵機(jī)組在水力性能上提升了不少,其他4個(gè)泵機(jī)組的水力損失基本一致。優(yōu)化方案2的流場(chǎng)如圖7所示,可以看出,水流在倒角1處平滑過渡,但由于該處流道截面較小,導(dǎo)致該處水流速度較快。4#泵機(jī)組水力損失較高,這是由于該機(jī)組同時(shí)受到從隔墩1和隔墩2處沖出水流的共同作用。5#泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)的大漩渦基本消除,閘門前的漩渦直徑也有所減小。
43優(yōu)化方案
3數(shù)值計(jì)算優(yōu)化方案3在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上做出了以下幾點(diǎn)修改:(1)加大倒角1處的圓弧半徑;(2)隔墩1形狀和位置不變,去掉了隔墩3;(3)隔墩2朝隔墩3方向移動(dòng)了一段距離,并加大了隔墩的圖6優(yōu)化方案2模型圖7優(yōu)化方案2流線圖弧度。優(yōu)化方案3具體的更改情況及與優(yōu)化方案2的三維模型對(duì)比如圖8所示。該方案求解器的設(shè)置與原方案一致。在額定流量12m3/s工況下,1#-5#泵機(jī)組流道的水力損失分別為011m、01298m、01428m、01359m、01355m。相較于其他方案,優(yōu)化方案3各機(jī)組在水力性能上更優(yōu)。優(yōu)化方案3的流場(chǎng)如圖9所示,從圖中可以看出,由于增大了轉(zhuǎn)角1處的半徑,在與隔墩1的共同作用下,水流在該處的轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為有序、平緩,且5#泵機(jī)組進(jìn)水池內(nèi)未出現(xiàn)原方案的大漩渦,能給5#泵機(jī)組提供良好的進(jìn)水條件。隔墩2起到了良好的導(dǎo)流、整流作用。優(yōu)化方案3的進(jìn)水池能夠給5臺(tái)泵機(jī)組提供優(yōu)異的進(jìn)水流態(tài),水力性能良好。
5結(jié)論
本文以國(guó)內(nèi)某泵站為研究對(duì)象,運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)已有進(jìn)水池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得出了以下結(jié)論:(1)引起該泵站5#泵機(jī)組功率不正常的原因是側(cè)向進(jìn)水池設(shè)計(jì)的不合理。進(jìn)水池缺乏合適的導(dǎo)流措施,從而在5#泵機(jī)組前產(chǎn)生了直徑很大的漩渦,導(dǎo)致出現(xiàn)了流道堵塞等現(xiàn)象。(2)合理設(shè)置隔墩的長(zhǎng)度、空間位置及數(shù)量能夠很好地起到導(dǎo)流、消除漩渦的作用。進(jìn)水池的設(shè)計(jì)應(yīng)該避免出現(xiàn)“急轉(zhuǎn)角”等不良情況。(3)優(yōu)化方案3能夠給5臺(tái)泵機(jī)組提供良好的進(jìn)水條件。額定流量工況下,相較于原方案,方案3的5#泵機(jī)組在水力損失模擬值上減小了約44%,其他泵機(jī)組模擬值與原泵基本一致。
作者:張坤 金雷 汪小峰 李星 單位:合肥恒大江海泵業(yè)股份有限公司 安徽省大型潛水電泵裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室