博斯腾湖泵站立式轴流泵出水流道基本流态的探析

【摘要】立式轴流泵的出水流态是确保水泵装置获得最佳能量性能的必要条件。这个条件对于低扬程泵站的效率具有十分突出的影响。出水流道内的流态是其最基本的属性，流道的水力性能完全决定于流道内的流态。因此在选择低扬程立式轴流泵出水流道的形式时，需要对不同形式出水流道的基本流态进行分析。本文概述了立式轴流泵出水流道的基本流态及水力设计，对立式轴流泵的出水流道三维流动数值模拟及其结果进行了探讨分析。

【关键词】立式轴流泵；出水流道；水力设计；三维流动数值模拟

一、立式轴流泵出水流道的基本流态及水力设计的概述

立式轴流泵的出水流道作用是使水流有序地转向和平缓地扩散，在流道内尽可能不产生脱流及旋涡、流道水力损失尽可能小的条件下尽可能多地回收水流的动能。与大型立式轴流泵配套使用的一般有虹吸式和直管式出水流道。第一、虹吸式出水流道是一种弯曲形的流道，由上升段、驼峰段、下降段及出口段组成，由于它可以安全地越过提防，而且流道可以直接挡洪、断流方式简单可靠，因此在大型立式轴流泵站中得到了广泛的应用。第二、直管式出水流道形状相对简单，施工方便，在大型立式轴流泵站中也得到了应用。对于中高扬程泵站，直管式出水流道的转向角度一般不大于60°；对于低扬程泵站，由于水泵导叶出口断面的高程与上游最低水位之间的差值较小，直管式出水流道往往须作不小于90°的转向。国家标准《泵站设计规范》（GB/T 50265-97）推荐：对于立式轴流泵站，当出水池水位变化幅度不大时，宜采用虹吸式出水流道，配以真空破坏阀断流方式；对于出水池最低运行水位较高的泵站，可采用直管式出水流道，在出口设置拍门或快速闸门，并在门后设置通气孔。

出水流道的水力设计应满足下列要求：（1）流道出口的平均流速一般不大于1.5 m/s，对于扬程低、运行时数多的泵站，不宜大于1.0 m/s；（2）在各种运行工况下，出水流道内无旋涡、涡带等不良流态；（3）流道水力损失尽可能小；（4）流道的控制尺寸取值合理。

二、立式轴流泵的出水流道三维流动数值模拟分析

1、计算方案。结合某泵站为例，泵站设计扬程为H=4.6 m，设计流量为Q=25 m3/s，水泵叶轮直径为D0=2.65 m。根据该泵站出水流道形式比选的要求，对该站进行了虹吸式和直管式两种不同形式出水流道三维流动的数值模拟及优化水力设计。两种形式出水流道的长度相等，流道出口断面的高度和宽度相等、顶高程根据最低出口水位确定；两种形式出水流道在高度方向的控制尺寸则根据各自几何体型的特点和要求在该泵站许可的范围内取值：虹吸式出水流道驼峰断面的底高程决定于上游最高水位；直管式出水流道适当向上弯曲，以加大转弯半径、减少脱流，向上弯曲的程度决定于水泵顶盖的安装高程。

2、三维流动数值模拟的数学模型。计算流体动力学（CFD）的理论及技术的发展，开发了许多用于求解三维雷诺平均N—S方程和多种k—ε紊流模型方程组的专用软件。这些软件已被大量地用于模拟水轮机尾水管、蜗壳、叶轮内和整个装置内的流动，进行水力机械的性能预测和优化设计。本文采用了目前国内外应用最为广泛的FLUENT软件。（1）控制方程。出水流道内部流场数值模拟的控制方程包括连续性方程、动量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程已有很多文献作了介绍，本文不再赘述。（2）边界条件。第一、进口边界。计算流场的进口设置在水泵后导叶出口断面，在该断面认为来流速度在整个断面上均匀分布，计算流量可作为已知条件，故而进口边界采用速度进口边界条件。由于一般导叶出口的水流都不同程度地具有剩余环量，故在这里预置了一定的环量。第二、出口边界。为了准确地应用出口边界条件，将计算流场的出口设置在距流道出口有足够远的出水池内，这里的流动是充分发展的，可采用自由出流边界条件。第三、固壁边界。出水流道边壁及出水池池底为固壁，其边界条件按固壁定律处理。固壁边界条件的处理中对所有固壁处的节点应用了无滑移条件，而对紧靠固壁处节点的紊流特性，则应用了所谓对数式固壁函数处理，以减少近固壁区域的节点数。第四、自由表面。出水池的表面为自由水面，若忽略水面风引起的切应力及与大气层的热交换，则自由面对速度和紊动能均可视为对称平面处理。

三、出水流道三维流动数值模拟与模型试验的结果分析

1、出水流道三维流动数值模拟结果。（1）虹吸式出水流道的三维流场。对虹吸式出水流道进行了三维流场数值模拟：流道进口的水流具有一定环量，水流呈螺旋状流入流道；虹吸式出水流道上升段各断面的高度虽逐步减小，但随着流道宽度的逐步扩大，上升段内的流速还是逐步减小，由于转向角度和扩散较为平缓，该段流道内无脱流现象；受水流惯性和环量的双重影响，流道下降段内左右两侧的流场不对称，顺水流方向看，主流偏向流道下降段的左侧上部，而在流道右侧下部区域出现立面方向的局部旋涡，旋涡的范围较小、强度较弱。

（2）直管式出水流道的三维流场。对直管式出水流道进行了三维流场数值模拟：流道进口的水流具有环量，水流呈螺旋状流入流道；由于流道作90°转向时的转弯半径较小，受水流惯性和环量的双重影响，在流道作90°转向之后，流道下降段内左右两侧的流场明显不对称，顺水流方向看，主流偏向流道下降段的左侧上部，而在流道右侧下部区域出现了较大范围的旋涡。

2、出水流道模型试验的结果。分别对虹吸式和直管式出水流道进行了透明流道模型试验研究。在模型试验中观察到的两种形式出水流道内基本流态与数值模拟的结果完全一致。

结束语

立式轴流泵出水流道中的虹吸式出水流道与直管式出水流道相比，可以更好地适应低扬程泵站上、下游水位差较小的特点，可以获得更好的流态和更小的水力损失，对于年运行时数较多的低扬程大型泵站，在泵站上游水位的变幅允许的条件下，应优先选用水力性能较好的虹吸式出水流道。

参考文献：

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[2]陆林广等.泵站出水流道模型水力损失的测试[J].排灌机械，2005（5）

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