泵站钟形进水流道吸水室后壁形状的研究.docVIP

泵站钟形进水流道吸水室后壁形状的研究 　　摘要：基于三维不可压缩流体的雷诺平均N-S方程和RNGk-ε紊流模型，对矩形、半圆形和“ω”吸水室后壁形状的钟形进水流道泵装置进行了三维紊流数值模拟，并分析了钟形进水流道后壁形状对泵装置水力特性的影响。相同流量下，“ω”形吸水室进水流道流线分布最规则，漩涡比其他形状的进水流道小，“ω”形吸水室进水流道水力损失比矩形吸水室进水流道小1cm；出口断面的流速均匀度达到93%，比矩形和半圆形吸水室进水流道高约2个百分点；出口断面速度加权平均角度达到83.5°，比矩形吸水室进水流道高0.6°，比半圆形吸水室进水流道高0.2°；泵装置运行高效区流量范围比半圆形的拓宽了7.3%，比矩形的拓宽了30%。该研究对于完善泵站钟型进水流道吸水室优化设计具有一定意义。 　　关键词：泵装置；钟形进水流道；后壁形状；数值模拟；优化设计 　??中图分类号：TV131.4 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0195-07 　　进水流道是泵站前池和水泵的叶轮室之间的过渡段，是整个泵装置的重要组成部分。进水流道的主要作用是使水流加速和更好地转向，为叶轮室进口提供良好的水力条件。故其出口流态对水泵的能量性能、汽蚀性和安全性能有很大影响。 　　钟形进水流道是一种比较好的进水流道形式。它的显著特点是高度较小，流道宽度较大，可以减少泵站基础的挖深，从而降低土建工程投资。这对于某些站址地质较差的泵站，具有特别重要的意义。钟形进水流道的几何形状比肘形进水流道更为复杂，因此设计难度更高，而且现在也没有成熟的水力设计方法。钟形进水流道的后壁形状常见的有“ω”形，圆弧形，多边形和矩形，一般多采用前两者[5]。 　　近年来，我国在钟形进水流道数值模拟与实验方面的研究越来越广泛。在优化钟形进水流道吸水室后壁形状方面，国内已有不少学者做了研究。刘超等在泵站节能技术改造中，将后壁形状为“ω”形的钟形进水流道用于圬工泵站，优化了进水流态，现场测试结果表明提高了泵装置运行效率。颜红勤等对不同钟形进水流道的优化方案进行了实验和数值模拟，认为“ω”形后壁吸水室钟形进水流道的水力性能良好，水力损失小。陶海坤等模拟计算了两种不同“ω”形后壁吸水室钟形进水流道，认为采用公式Vu=const来设计“ω”形吸水室较好，并且还研究了吸水室的后壁距。 　　上述研究主要是只针对钟形进水流道进行数值模拟分析，不包括水泵，因此不能反映进水流道对水泵性能的影响。本文结合其他相关研究，通过CFX对包括水泵在内的三种方案的泵装置进行全模拟，着重分析钟形进水流道不同截面的流线和速度分布、内部流态、水力损失以及其对泵装置性能的影响，为泵装置眭能优化提供依据。 　　1计算模型和网格 　　1.1几何建模 　　本次研究的进水流道后壁形状有矩形（方案1），圆弧形（方案2），“ω”形（方案3），其中“ω”形的后壁形状是平滑过渡的曲线形状，由两个大小圆弧组成，大圆弧的圆心与泵轴线重合，小圆弧圆心O2在喇叭口圆周后侧垂直于流向的切线上。钟形进水流道各主要几何参数见图1。本文采用轴流泵型号为ZM6。 　　本文研究的泵装置模型主要由钟形进水流道、叶轮、导叶及虹吸式出水流道组成，其中叶轮、导叶模型在Turbogrid软件中建立，进、出水流道在UG软件中建立。泵装置的三维模型见图2。 　　1.2网格划分 　　由于该泵装置形式比较复杂且不规则区域较多，为了提高计算的精度，本文采用结构化网格。进、出水流道采用ANSYS mesh软件剖分，叶轮及导叶网格采用Tuobogrid软件中H/J/L-Grid拓扑结构剖分。本文不断调整网格数量并对不同网格数量的泵装置效率进行计算，发现当网格增加到一定数量时，计算结果不再随着网格数量的增加而改变。在满足网格无关性要求时，取方案1泵装置网格总数2 556 027（方案2为2 548 004，方案3为2 520 150），其中叶轮网格数456 192，导叶网格数1012 662，进水流道网格数349 190（方案2为341 167，方案3??313 3 13），出水流道网格数为737 983。网格划分见图3。 　　1.3计算方法及边界条件设置 　　计算采用雷诺时均N-S方程和RNGK-ε湍流模型，该模型已经在前面很多研究中取得了较好的结果。 　　进水池的进口设置为整个计算域的进口，采用质量流量进口条件；出水池的出口设置为整个计算域的出口，边界条件按压力条件给定：总压为一个标准大气压。叶轮为旋转域，其他设置为静止域，叶轮转速为1450 r/min。固体边壁表面包括：轮毂表面，叶片表面，叶轮外壳的内表面等，壁面采用无滑移的壁面处理，进壁区域采用标准壁面边界函数边界条件。进水流道出口与叶轮进口、叶轮出口与导叶进口为动静交