底部形式对一体化泵站水力性能CFD影响研究

颜红勤，成 立，蒋红樱，肖忠明，王 默

（1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，南京210029；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009；3.江苏省丹阳市九曲河枢纽管理处，江苏镇江212000；4.海南省水利水电勘察设计研究院安徽分院，合肥230000）

当下，我国城乡建设水平不断地提升，对供水排水提出更高要求与需求，泵站所需进行的及时输送显得无比重要［1-3］。目前，主要选用的仍然是以混凝土为主的传统泵站，其却存在着体积过于庞大、建设时间久、耗费人力财力较多等缺点，该泵站一旦建设完成后很难再次进行迁移［4-6］。一体化泵站却可以很好的面对上述问题，它是一种新型泵站，从生产、装配再到后期维护均较便利，值得被推广使用。另外，城市土地资源也越发紧缺，生态环境易遭到破坏，而一体化泵站的建设却不会因此受困扰。

目前为止，许多研究者对一体化泵站展开了相关分析。谈正强［7］研究了不同流量工况下泵站内部复杂流动，并提出了多筒体并联方案。张子旭等［8］在不同运行方式下，分析了工作水位与安装高度对筒体应力的影响。蒋红樱等［9］根据不同流量工况，分析了一体化泵站中流量大小对泵站内部流动特性的影响。颜红勤等［10，11］根据不同泵安装位置，分析了不同情况下对一体化泵站内部流动特性的影响探究。成立等［12］根据集水池内不良流态，研究出一体化泵站底部自清洁相关措施。前人对一体化泵站的研究主要还是倾向于工程整体应用方面，对一体化泵站底部形式的水力特性研究关注还是相对甚少。

通过数值模拟，对称式分布潜水轴流泵，改变泵站底部形式，从而进行计算分析泵站内部水力性能所受影响。

1 计算模型与方法

1.1 研究物理模型

图1为泵站结构计算模型图，主要有集水池、左右各一台潜水式轴流泵、叶轮、导叶以及2 个潜水电机，采用1 个进水口，设置出水管道2 个。据最新实践与数据统计可知，一体化泵站的筒体有效容积与流量存在一定关系为：V=Qb/4Zmax，Qb表示泵流量，Zmax表示最大启停次数（10～30 次/h）。在本文中采用Zmax为15次进行匹配计算。本文模型计算中集水池为圆柱形筒体，筒体直径为1 m，高度为1 m，叶轮直径大小为0.12 m，选用3 个叶片，水泵流量为198 m3/h，转速为40 r/s。

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

1.2 网格剖分

对主要部分集水池、泵体、喇叭口、出水管道进行分块网格剖分。通过ICEM CFD 软件对泵体进行网格剖分，利用Mesh 软件对其余部分进行网格划分。图2为泵体部分网格剖分。

图2 泵体部分网格剖分Fig.2 Part grid division of pump body

由于标准k-ε［13，14］模型形式简单，能够较好的适应算法；RNGk-ε［15，16］模型和Realizablek-ε［17］模型是在标准模型基础上进行了改进，更能适应较大流场。最终计算比较可知，标准k-ε模型收敛较好，从而采用标准k-ε紊流模型进行展开研究。

在满足网格质量相关要求前提下，对集水池进行网格无关性分析，网格数量范围为30～130 万，将水泵Ⅰ效率作为评判依据，最终确定所采用网格数量为120万（图3）。

图3 网格无关性Fig.3 Grid independent

1.3 计算方法及边界条件

本文利用CFD 技术，通过CFX 展开数值模拟进行计算，忽略热交换，迎风离散格式为一阶，收敛精度为10-5。增设进水段位于进水口前，以便水流充分以紊流运动进入，紊流密度设置5%，出口边界为1 个标准大气压；边壁无滑移，采用Scalable Wall Function 函数法处理近壁面，采用冻结转子（Frozen Stator）进行设置动静交界面，以确保交界面处连续性。

2 结果与分析

一体化泵站不同底部主要形式包括圆弧式、椭圆弧式、斜坡式。表1为研究方案相关参数设置。

表1 研究方案Tab.1 Research planes

2.1 圆弧式底部一体化泵站水力特性研究

从喇叭管入口中心点到集水池底部的垂直距离为0.6D，D表示喇叭管口直径，两泵之间泵间距为0.6R，中心距为0.2R，进口质量流给定：Q设=198 m3/h。底部圆弧半径大小分别选取为Rl=1.2R、Rl=1.6R、Rl=2.0R（如图4所示）展开研究。

图4 底部圆弧半径模型图Fig.4 Integrated pump model with different radius of arc

由表2可知，水泵Ⅰ效率、叶轮室进口流速均匀度以及速度加权平均角值均比水泵Ⅱ高。通过对比分析，在方案3 下两泵效率表现最大，流速均匀度与加权平均角整体相对高于其他方案。由方案1、2 可得，两泵效率值相对方案3 较低，流速均匀度和速度加权平均角也为方案中最低值。

表2 不同底部圆弧半径一体化泵站水力性能表Tab.2 Hydraulic performance table of bottom integral pump with different arc radius

图5为不同圆弧情况下泵站三维流线图，图6为管道间中心连线纵断面图，图7为喇叭管口到集水池底部横断面，图8为喇叭管口处所在部分横断面。

由图5可知，在方案1与2中，集水池内流态较差，入水口上方处均出现较明显漩涡，方案3下漩涡明显较小，流态较好。由图6可得，三种方案下集水池内管间均出现流线在一处集中现象，方案1喇叭口流线分布主偏向于管Ⅰ，两管道上方流线左右呈相反分布。方案2 流速分布与方案1 相反，两管间流线偏向管Ⅱ，喇叭管口流线主偏与管Ⅱ。方案3 流速分布与Rl=1.2R时大体一致，与Rl=1.6R时呈现相反镜像，两管道间流线与方案2 基本一致。由图7可知，根据半径的增加，泵后方向与壁面间的流速逐渐减小。方案1 流线进入泵Ⅰ居多。在方案2 中流线主要进入水泵Ⅱ，但管前壁面处出现一明显漩涡，底部流态较差。由图8知，根据圆弧半径的增加，管前方近壁面区均有一明显漩涡，方案2情况下底部流线分布最差。

图5 圆弧底部泵站三维流线图Fig.5 Three dimensional streamline diagram of bottom integral pump model with different arc radius

图6 圆弧底部流线与流速纵断面图Fig.6 Profile of bottom integral pump with different arc radius Streamline and velocity distribution

图7 圆弧底部喇叭管口至底部中间处流线与速度横断面分布图Fig.7 Cross section of integrated pump with arc radius at the flare tube to middle of bottom streamline and velocity distribution

图8 圆弧底部喇叭管口处流线与速度横断面分布图Fig.8 Cross section of integrated pump with arc radius at the flare tube streamline and velocity distribution

图9为不同底部圆弧半径流线与压力分布图。由图9可知，方案2底部压力表现出最大方案3次之，方案1最小，由流线分布可知，在方案1 和方案2 中，喇叭管入口处无漩涡，在近底部中心与前壁面处出现两较明显漩涡。方案3在断面中心处出现两对称漩涡，且壁面处漩涡仍然存在，漩涡离壁面距离更近。

图9 圆弧底部流线与压力横断面分布图Fig.9 Bottom streamline and pressure cross section of integrated pump with different arc radius

2.2 椭圆式底部一体化泵站水力特性研究

椭圆弧半径分别选取为：Rd=0.2R，Rd=0.4R，Rd=0.6R的圆弧底（如图10所示）进行研究。

图10 椭圆底部弧半径模型Fig.10 The model of elliptic bottom integral pump with different small radius

据表3可知，通过增大底部椭圆弧半径，两水泵效率值、流速均匀度均有所下降趋势，其各指标的变化幅度均相对较小。

表3 不同底部椭圆弧半径的一体化泵站水力性能Tab.3 Hydraulic performance of integral pump with different elliptical arc and small radius bottom

图11为不同弧度椭圆弧形底部三维流线图，图12为两管间中心连线部分纵断面，图13为喇叭管口处到底部垂线中点部分横断面，图14为喇叭管口处所在部分横断面。

图11 椭圆弧底部泵站三维流线图Fig.11 Three dimensional streamline diagram of bottom integral pump with different elliptical arc radius

由图11可得，其中方案4集水池内流线上下扩散较大，3种方案入水口上方流线均出现漩涡。由图12可知，方案4 集水池内管道间流线偏向于管Ⅰ。方案5管间偏上出现一较明显流线集中点，流线分布较均匀。在方案6 中，管间流线出现漩涡，且流线主偏于管Ⅱ。由图13可知，方案4 集水池内流线与流速分布较均匀，流态较好，流线稍偏向于喇叭管口Ⅱ，而方案5 流线偏向于喇叭管口Ⅰ，流线分布较均匀，方案6 流线分布较差，流线明显偏向于喇叭管口Ⅱ。由图14知，根据椭圆弧半径增加，流速整体明显提高。在方案5 中，流速与流线对称分布明显。方案4 和方案5 进水管口处流线分布较好，水流分布总体均匀。而方案6 流线分布不均匀，最终进入水泵Ⅰ流线要稍小于水泵Ⅱ，流态较差。

图12 椭圆弧底部流线与流速纵断面图Fig.12 Profile of bottom integral pump with different elliptical arc radius Streamline and velocity distribution

图13 椭圆弧底部喇叭管口至底部中间处流线与速度横断面分布图Fig.13 Cross section of integrated pump with elliptical arc radius at the flare tube to middle of bottom streamline and velocity distribution

图14 椭圆弧底部半径喇叭管口处流线与速度横断面分布图Fig.14 Cross section of integrated pump with elliptical arc radius at the flare tube streamline and velocity distribution

图15是不同底部椭圆弧半径流线与压力分布图。由图15可知，在喇叭管附近的压力最低，随离喇叭管距离增大，压力也逐渐增加。对比分析可知，压力呈对称形式分布。根据椭圆弧半径的扩大，集水池内的整体压力逐渐下降，方案4池内水体压力最大，方案5较方案4低，方案6压力最小。方案4和方案5流线分布无明显差异，且分布对称，进入流线相对于两泵分布较均匀，于汇集处水流出现回流。方案6中流线分布较不均匀，流线主要偏移至向水泵Ⅱ方向，于汇集处水流出现回流。

图15 椭圆弧底部流线与压力横断面分布图Fig.15 bottom streamline and pressure cross section of integrated pump with different elliptical arc radius

2.3 斜坡式底部一体化泵站水力性能研究

斜坡式底部即泵站底部两侧壁面非直径与底部相垂直，其与底部水平非垂直关系，而是存在一定倾斜角度。通过改变角度大小来进行研究。本文选取底部斜坡与底部夹角分别为30°、45°、60°（如图16所示）。

图16 底部斜坡模型Fig.16 Integrated pump model with different slope bottom

由表4知，通过增大角度大小，两泵效率值和叶轮室进口流速均匀度相差不大。根据选取角度的增大，泵Ⅰ加权平均角有所增加，泵Ⅱ流速均匀度以及加权平均角有所下降，整体变化幅度小。

表4 不同底部斜坡角水力性能Tab.4 Hydraulic performance of integral pump with different slope angle bottom

图17为不同斜坡式底部三维流线图，图18为管间中心连线处部分纵断面，图19为喇叭管口处到底部垂线中点部分横断面，图20为喇叭管口处所在部分横断面。

图17 斜坡底部三维流线图Fig.17 Three dimensional streamline diagram of integrated pump at the bottom of different slopes

由图17可得，方案7 与方案9 集水池内流线整体分布于中心处较多，而集水池内流线上下扩散较大。由图18知，流速分布相差不大，流线平顺分布。方案7中流线弯曲度明显较大，方案8 流线弯曲度降低，水流流态得到改善。方案9，流线弯曲度下降更多，水流流态进一步得到改善。但随角度的改变，两管间均有一汇聚流线，均偏向管Ⅰ分布。方案8 中两管间近管Ⅱ位置处出现一较小漩涡。由图19知，随角度的增加，管后方流速加大，于流线汇集处出现水流回流。与此同时，方案7和方案8 流线分布相对更对称，方案9 流线分布较差，流线主要进入偏向水泵Ⅰ较多。由图20可知，方案7 和方案8 流线分布相对对称，流态较好。方案9 中出现两方向相反旋转水流偏向于管道Ⅱ附近汇集，最终小部分进入水泵Ⅱ中。

图18 斜坡底部流线与速度纵断面分布图Fig.18 Profile of integrated pump at the bottom of different slopes Streamline and velocity distribution

图20 底部斜坡喇叭管口处流线与流速横断面图Fig.20 Cross section of integrated pump with slopes at the flare tube streamline and velocity

图21是不同角度底部流线与压力图。从图21中可知，喇叭管口处正下方区域的压力最小，而随距管口处距离加大，压力分布也随之增加。方案7压力要稍高于方案8，而方案9压力最大。方案7 底部压力对称分布明显，方案8 在管Ⅱ前斜方向壁面处有一区域压力分布较小，且出现水流漩涡。方案9 管Ⅱ前压力明显大于管Ⅰ。由流线分布可知，方案7 和方案8 流线分布相对对称，而方案8 在管Ⅱ前漩涡，方案9 流线分布不对称，最终向水泵Ⅰ偏流。

图21 斜坡底部流线与压力横断面分布图Fig.21 Bottom streamline and pressure cross section of integrated pump on different slopes

3 结 语

通过采用CFD 技术，探究了圆弧、椭圆弧、斜坡式底部的改变对一体化泵站水力性能的影响，由分析可知，水力参数的改变对一体化泵站的水力性能有着一定的影响。

（1）对于圆弧形底部，据底部半径的增大可知，流态无明显差异。当半径为1.6R时，出现一明显漩涡；当半径为1.2R与2.0R时，流态分布较好。当底部半径为2.0R时，其两泵效率、叶轮室进口流速均匀度以及加权平均角值均明显高于其他方案。从而建议选取圆弧半径Rl=2.0R。

（2）对于椭圆弧形底部，当椭圆弧半径Rd=0.2R时，其两泵效率、叶轮室进口流速均匀度以及加权平均角值均明显高于其他方案；当椭圆弧半径Rd=0.6R时，两管间水流出现漩涡分布；且当Rd=0.2R时，无不良流态，流态较好。从而建议选取椭圆弧半径Rd=0.2R。

（3）对于斜坡底部，当斜坡角度为30°时，流线对称分布，流态较好；当角度选取45°时，两管间存在一明显漩涡；当角度选取60°时，水流出现偏流，流态较差，流线分布不对称。从而建议选取底部斜坡角为30°。 □