雙向開敞式立式軸流泵裝置數值模擬

王 麗 張躍飛 單陸丹

（江蘇省淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223000）

雙向開敞式立式軸流泵裝置數值模擬

王 麗 張躍飛 單陸丹

（江蘇省淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223000）

基于CFD技術，采用RNGk-ε湍流模型，對三干河開敞式立式軸流泵4個工況進行全流場數值模擬，選取工況2和工況3泵裝置流線，葉片壓力、流線、速度和矢量分布以及導葉片的速度矢量等進行分析，并將模擬計算結果與試驗結果進行對比。結果表明，模擬結果與泵段和泵裝置模型試驗數據較為吻合，表明該泵滿足運行要求。該研究成果對同類泵站的選型和設計具有重要參考價值。

立式軸流泵 雙向 泵裝置 數值模擬

1 泵站概況

張家港市三干河樞紐工程由節制閘和泵站兩部分組成。泵站安裝3套2200ZLB13.4-2開敞式立式軸流泵，配TL800/40同步電機。

泵站的下廊道為進水流道，上廊道為出水流道。流道兩端分別設置2道閘門。泵雖是單向運轉，但通過開閉4道閘門可以改變進出水方向進而實現水流的雙向供水（排澇、灌溉）的運行目的。

2 泵站運行特征揚程和選型

張家港市三干河南延工程三干河樞紐工程泵站參數如表1所示。

表1 三干河南延工程三干河樞紐工程泵站特征揚程組合

根據與該泵站相似的海洋涇泵站裝置試驗結果進行選型，選型結果如圖1所示。

圖1 泵裝置綜合特性曲線（海洋涇模型）

結果可知，葉輪外徑2200mm，轉速150r/min，泵在0°運行，可以滿足設計要求，此時模型裝置效率為68%～70%。

3 模型的建立及邊界條件

3.1計算模型和網格劃分

此次模擬以開敞式立式軸流泵的進水流道、葉輪、導葉及出水流道作為研究對象，主要的性能參數如表2所示。

表2 各計算工況點參數

網格的劃分對計算結果極為重要，網格的質量和疏密程度也會影響計算結果的準確性和可靠性?？紤]整個裝置的復雜性和計算機內存的要求，此次采用Tetra/Mixed網格，采用對復雜邊界適應性較好的非結構化四面體網格對計算域進行網格劃分，網格總數為3607792。

3.2控制方程及湍流模型

采用工程廣泛應用的雷諾平均模型來描述泵裝置內部流體的流動，本文采用RNG模型以便更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大流動。

RNG模型方程為：

3.3邊界條件

以進水流道進口為泵裝置進口邊界，以質量流量為進口邊界條件；以出水流道出口為泵裝置出口邊界，出口設置為自由出流；整個裝置的固體壁面采用無滑移條件，湍流壁面采用壁面函數法處理。

4 數值分析和結果對比

為研究引水和排澇工況泵裝置和泵流場狀態，本文選取工況2和工況3的流場特征進行分析，如圖2～5所示。

圖2 泵裝置流線分布

圖3 葉輪工作面壓力云圖

圖4 葉輪背面壓力云圖

圖5 導葉區域速度矢量

圖6H-Q曲線

圖7 η-Q曲線

圖2為泵裝置流線分布情況，從圖中可以看出，整個裝置在出水流道和進水流道封閉側產生較大的漩渦，流動十分紊亂。流體在進水流道后受葉輪的作用大部分液體直接通過葉輪、導葉進入出水流道；另一部分流體要到達進水流道封閉側，再經過葉輪和導葉到達出水流道，這部分流體會在進水流道和出水流道封閉側產生較大漩渦。

圖3～4為葉輪區域的壓力情況。由四幅圖片可以看出，葉片工作面壓力高于葉片背面，葉輪區域流線整體較順暢；葉片進口邊外緣有輕微沖擊；葉片進口邊外緣工作面和背面壓差較大，導致葉片進口邊外緣易發生汽蝕。

圖5為導葉區域的流動情況。導葉片靠外緣部分流線順暢，葉片出水邊靠近輪轂處有不同程度的回流現象，液體運動速度方向發生了較大變化，導葉根部流動相對外緣較紊亂。

為說明CFD模擬結果準確性和可靠性，將4個工況的計算結果與選型結果進行比較，如圖6～7所示。數值模擬結果基本上與根據泵段和泵裝置模型試驗數據選型結果相差不大，表明泵在運行中能滿足設計要求。

5 結論

（1）本文對泵站的整個裝置進行模擬，包括葉輪和導葉，相較不添加葉輪、導葉或假設葉輪和導葉的模擬更具真實性。

（2）由泵裝置流線分布圖可知，進、出水流道封閉側的流動較為紊亂，這也是雙向流道效率不高的重要原因。

（3）從模擬結果和泵段和泵裝置模型試驗數據來看兩者相差較小，表明該泵滿足運行要求■