矩形开敞式进水流道的优化设计及数值模拟_刘玉莹.pdf

2023 年第 2 期矩形开敞式进水流道的优化设计及数值模拟刘 玉 莹(上海凯士比泵有限公司，上海200245)摘要:对某项目的矩形开敞式进水流道在两个不同运行工况下进行模拟分析，发现即使已采用了进水伞，矩形进水流道自由液面上仍存在大量的旋涡，并且旋涡向水下延伸，对水泵进口流动产生了不利影响。在流动分析结果的基础上对该矩形进水流道进行了两种方案的优化设计，模拟结果显示，两种优化方案矩形进水流道自由液面上的旋涡均减小，各工况下进水流道的水力性能均有不同程度的改善。对比两种优化方案分析结果，优选流道后壁形状为类似“”的优化方案作为最终优化方案，以为叶轮提供更好的入流条件。本次优化设计也可为类似的矩形开敞式进水流道设计及优化提供参考及依据。关键词:进水流道矩形开敞式数值模拟优化设计中图分类号:TV675文献标识码:A进水流道是泵站的重要组成部分之一，它将泵站前池的水流引导到水泵进口，为水泵提供一定的入流条件。进水流道设计的好坏，会直接影响水泵的性能和运行稳定性1 2。进水流道内不均匀、不稳定的流动不但会使水泵运行偏离最佳工况、降低水泵效率，还会使叶轮上的载荷波动，从而导致噪声、振动、轴承问题和泵轴的疲劳失效。对进水流道内部流场进行预测及研究并对不良流态进行优化改善，可以避免不利进水条件，从而使水泵高效、稳定、安全地运行。随着计算机技术的快速发展和 CFD 理论与技术的不断完善，泵站流动分析由一维水力学方法逐渐发展为三维黏性流动分析方法3。黄幸等4 采用雷诺时均 N S 方程和 ealizable k 湍流模型，对 1000 MW 超临界火电机组并联泵循环水流道与循环泵内的流动进行了三维数值分析，模拟研究了进水流道内的流态、流速分布以及泵体周围和喇叭口周围流场的水力问题，并依据模拟结果对流道进行了优化整流方案研究，使得水泵进水条件得到显著改善。李玲玉5 对某河口泵站进水池进行了三维数值模拟计算，通过对比不同尺寸下进水池流量分布的均匀性、静压分布和流态分布，分析了各方向尺寸变化对进水水流的影响，为进水池设计提供了支持。罗灿等6 基于 CFX 求解器，针对具有通航功能的某小型闸站式侧向进水泵站进水池内的不良流态，开展了翼型导流板正交试验数值模拟研究，得出翼型导流板可有效破坏进水池内的回流，改善流速分布的均匀性。朱文辰7 以贲家集泵站为研究对象，模拟分析了进水池的流场及流速分布，并通过加设导流栅、底坎和水平消涡梁，有效改善了进水池内水流不均问题，并通过模拟分析对比，选出了较优的开机组合。陈松山等8 对基于规则化设计的竖井进水流道进行了数值模拟，揭示了不同截面的流速分布，并通过进水流道模型试验，验证了数值结果的可靠性。本文以某泵站项目的矩形开敞式进水流道为研究对象，采用 CFD 方法在不同运行工况下对进水流道内部流动进行了模拟分析，并依据数值模拟结果，对矩形进水流道进行了优化设计，改善进水流道内的不良流动，为水泵叶轮提供较好的进水条件。1泵站项目及运行工况介绍该泵站项目为老泵站更新设备项目。根据项目要求，更新设备后还需降低运行水位，因此新水泵设备初步考虑加装进水伞，以便能够满足项目需求。泵站采用正向进水，单泵额定流量 Q=4.0 m3/s，扬程 H=7.6 m，转速 n=359 r/min，喇叭进口直径 D=1805 mm，进水伞外径 Du=2200 mm。水泵具体的运行工况及水位要求如表 1 所示。表 1运行工况及水位工况流量 Q/(m3/s)水位 WL/m备注工况一2.8+1.370%转速工况二4.0+2.6100%转速332023 年第 2 期2三维模型及数值模拟2.1三维模型根据项目提供的资料，矩形开敞式进水流道的宽度为 5 m，水泵中心线至流道后壁的距离为3.5 m。结合表 1 中的水位值，利用 NX 建模软件分别建立两工况的三维分析模型，并对模型进出口进行了适当延伸。以工况二模型为例，三维模型如图 1 所示。2.2网格划分利用 ANSYS Workbench 平台的 mesh 模块对计算模型进行网格划分。采用适应性较强的四面体非结构化网格，并对边界层及细小特征进行了加密处理。各模型采用相同的网格尺寸，总体网格数在300 万和 370 万左右，网格质量均可满足计算要求，网格划分结果如图 2 所示。2.3边界条件及计算方法根据不同工况下的流量，将进口边界条件设为Mass Flow ate;出口边界条件设为 Opening，相对压力设为 0 Pa;壁面设为静止、无滑移绝热壁面，粗糙度为 0;自由液面基于刚盖假设，使用对称边界条件9 11。分析类型为稳态，湍流模型采用了考虑湍流剪切力的 SST k 模型，残差收敛精度设为 1 106，同时监测进出口压差及出口流量直到稳定。图 1三维模型(以工况二模型为例)图 2模型网格划分(以工况二模型为例)2.4进水流道水力性能计算依据1)水力损失 h根据伯努利方程，由数值模拟得到的速度场和压力场预测进水流道的水力损失，计算式为:h=E1 E2=P1gP2g+Z1 Z()2+u212gu22()2g(1)其中:E1=P1g+Z1+u212g;E2=P2g+Z2+u222g。式中，E1为进水流道进口处的总能量;E2为进水流道出口处的总能量。2)出口断面轴向速度分布均匀度 vau进水喇叭的出口即水泵叶轮的进口，其轴向速度分布均匀度计算公式如式(2):vau=1 1?vani=1(vai?va)2/n100%(2)式中，?va为进水喇叭出口断面轴向流速的平均值(m/s);vai为进水喇叭出口断面各计算节点的轴向速度(m/s);n 为进水喇叭出口断面上计算节点的个数。3)出口断面速度加权平均偏流角 若进水喇叭出口有横向速度存在，将会改变叶轮设计时假设的进水条件，影响水泵的性能，引入速度加权平均偏流角 来衡量。=ni=1vaiarctanvtiv()aini=1vai(3)式中，vti为进水喇叭出口断面各计算节点的横向速度(m/s)。3原矩形开敞式进水流道计算结果基于 ANSYS CFX 计算平台，对原矩形开敞式进水流道在两种工况下进行计算，计算结果如图3 图 5 所示。由图 3 进水流道整体流线图可以看出，两种工况下，水流进入流道后向水泵进口汇集，水泵前方图 3进水流道整体三维流线图432023 年第 2 期图 4进水喇叭出口断面速度云图图 5进水喇叭出口断面速度矢量图流动均较为平顺，后方流动较为紊乱;在流道末端即水泵后方有明显的自由液面涡向水下延伸至水泵进口。两种工况相比，工况二进水流道的流动状态优于工况一。图 4 为进水喇叭出口断面上的速度分布云图，从图中可以看出，工况一进水喇叭出口断面上速度分布不均匀。图 5 为进水喇叭出口断面上的速度矢量图，从图中可以看出，工况一速度方向偏离轴向较为严重，叶轮进口处的扰动较大。原矩形开敞式进水流道在两种工况下的水力性能如表 2 所示。由表 2 计算结果可知，工况二进水流道水力性能优于工况一;工况一进水喇叭出口断面上的速度加权平均偏流角高达 18.14，不能为叶轮提供好的进水条件。4矩形开敞式进水流道优化设计通过对原矩形开敞式进水流道进行数值分析，发现两种工况下在水泵后方均有自由液面涡出现并且向水泵进口延伸，尤其是在工况一时，进水喇叭出口断面上的速度加权平均偏流角较大，叶轮进水条件较差。分析原因认为，水泵与流道后壁较大的间距助力了自由液面涡的发展，增大了进水喇叭口附近的流动干扰。可考虑适当减小水泵至流道后壁的距离，抑制自由液面涡的出现。表 2原矩形开敞式进水流道水力性能工况h/mvau/%/()工况一0.2380.2518.14工况二0.1990.938.08综合考虑经济性和可行性，本文设计了两种优化方案:方案一是通过在流道末端增设一个梯形的隔墩，参照 ANSI HI9.8 2018 标准，将水泵中心线至流道后壁的最小距离改为 1.35 m(约0.75D)，以减小泵后方的自由液面涡，并在水泵下方加装了导水锥，以减小底面涡流、改善旋流;方案二是在方案一基础上保持水泵中心线至流道后壁的最小距离 1.35 m 不变，将流道后壁的形状修改为类似“”的形状，使后壁两侧光滑过渡，避免产生局部流动滞止区。两种优化方案的进水流道三维模型如图 6 所示。在相同计算条件下，对两种优化方案的矩形开敞式进水流道在两种工况下分别进行了计算，计算结果如图 7 图 12 所示。由图 7、图 8 进水流道整体流线图可以看出，两种优化方案中进水流道自由液面上也有旋涡出图 6优化后的三维模型(以工况二模型为例)图 7方案一整体三维流线图图 8方案二整体三维流线图532023 年第 2 期图 9方案一进水喇叭出口断面速度云图图 10方案二进水喇叭出口断面速度云图图 11方案一进水喇叭出口断面速度矢量图图 12方案二进水喇叭出口断面速度矢量图现，但与原设计相比，两种工况下水泵后方的自由液面涡均大大减小。在工况一，方案一进水流道末端的流动较方案二紊乱;在工况二，方案二进水流道的自由液面涡较方案一更进一步减小。由图 9、图 10 进水喇叭出口断面上的速度分布云图可以看出，两种优化方案中，工况一的速度分布较原设计均匀;工况二的速度分布均匀度较原设计略有变差。两种优化方案相比，各个工况下，进水喇叭出口断面上的速度分布均匀度相差不大。由图 11、图 12 进水喇叭出口断面上的速度矢量图可以看出，两种优化方案中，各个工况下的速度方向偏离轴向的程度均有所改善，尤其工况一的改善更为明显。两种优化方案相比，在工况二，方案二的改善效果优于方案一。两种优化方案的矩形开敞式进水流道在两种工况下的水力性能如表 3、表 4 所示。对比表 2、表3、表 4 计算结果可知，两种优化方案与原设计相比，各个工况下的进水流道水力性能均有不同程度的改善，尤其工况一改善程度较大。两种优化方案相比，各个工况下进水流道的水力损失、进水流道出口断面上的轴向速度分布均匀度均相差不大，但方案二中，各个工况下进水流道出口断面上的速度加权平均偏流角较方案一有更好的改善。在工况一，方案二与原设计相比，进水流道喇叭出口断面上的轴向速度分布均匀度提升了 8.94%，速度加权平均偏流角减小了9.22。综合考虑，优选方案二作为最终方案。5总结采用 CFD 方法在不同运行工况下，对某泵站项目的矩形开敞式进水流道的内部流动进行了模拟分析，并根据模拟结果，对进水流道进行了两种方案的优化设计:(1)与原设计相比，两种方案的进水流道水力性能在各个工况下均有所改善，特别在工况一时改善效果更为显著。这说明过大的后壁间距会加剧水泵喇叭进口的流动干扰，在设计进水流道时应选取适宜的后壁间距值。(2)对比两种优化方案分析结果，方案二进水流道性能有更大的改善，方案二类似“”的后表 3方案一进水流道水力性能工况h/mvau/%/()工况一0.1089.579.23工况二0.2089.326.28表 4方案二进水流道水力性能工况h/mvau/%/()工况一0.1089.198.92工况二0.1989.505.51(下转第 41 页)632023 年第 2 期要性能参数，测试水泵性能，设置离心泵性能试验的边界参数，模拟阀门开度，监测压力数据，测定出流量 扬程、流量 效率、流量 轴功率等特性曲线4。另外，国内许多高校获批国家级实验教学示范中心，依托商用计算流体动力学软件，结合虚拟仿真技术，模拟叶片泵内的整体流动和局部流动细节、泵内压强分布随叶轮旋转的变化情况、叶轮在不同流量工况下的受力、泵内汽蚀位置与形态，生产单位可拓宽“校企合作”，利用高效资源、互联网+开展培训或拓展仿真软件教学功能5。5结语扬水泵站开发仿真教学软件，仿真泵站的技术先进程度、自动化程度、信息化水平应满足职业技能培训高质量发展的要求，可按照培训设备的种类、培训科目、业务类别开发泵站机电设备巡检(含变电站)、水泵(变压器、电动机)检修(拆装)、倒闸操作、故障排除、事故处理、电气试验等多套子系统，并将运维人员的考核评价融入各个子系统。要把“理论指导实践，实践加深理论认识”贯穿于学习的全过程，运维人员可以边学理论边实操，促进理论