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封閉式吸水罐的內(nèi)部流動(dòng)水力學(xué)特性分析論文
1引言
封閉式吸水罐指的是裝置在泵前，水泵吸水管路直接從中取水的有壓容器，起著前池、進(jìn)水池的作用，而非傳統(tǒng)用于水泵啟動(dòng)的吸水罐[1,2].
相比于開(kāi)敞式水池，封閉式吸水罐適用于水位變幅較大的泵站，可充分利用站前水頭，提高整體供水效率。但目前對(duì)于泵站工程內(nèi)部流場(chǎng)的研究大多集中于開(kāi)敞式水池[3,4]或進(jìn)出水流道[5,6]中，而很少分析封閉式吸水罐內(nèi)部的流態(tài)，因而不了解采用封閉式吸水罐裝置的泵站的內(nèi)流場(chǎng)特性，如不同開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)對(duì)泵站內(nèi)流場(chǎng)的影響及不同水泵機(jī)組之間的差異等，導(dǎo)致在吸水罐的設(shè)計(jì)方面缺乏指導(dǎo)性的參照。因此，本文以四川省四平泵站為例，分析了封閉式吸水罐的內(nèi)部流動(dòng)特性，旨在為類(lèi)似泵站設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考依據(jù)。
2計(jì)算方法與邊界條件
2.1控制方程和算法
泵站內(nèi)的流動(dòng)不考慮密度變化，屬不可壓縮湍流流動(dòng)，其計(jì)算模型的建立主要依據(jù)瞬態(tài)連續(xù)方程和N-S方程。在泵站主流區(qū)，流動(dòng)一般處于高雷諾數(shù)湍流狀態(tài)，且由于泵站尺度較大，在前池、進(jìn)水池的流動(dòng)變化較大，往往會(huì)有較大尺度的回流與邊壁脫流，故采用兩方程κ-ε模型中的RNGκ-ε進(jìn)行求解計(jì)算[7].計(jì)算時(shí)，離散格式對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)模式，擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)采用中心差分離散模式，數(shù)值求解方法采用SIMPLEC算法[8].
2.2計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分
四平泵站為一高揚(yáng)程泵站，其設(shè)計(jì)流量為8.7m3/s,站前設(shè)計(jì)水位225.34m,最低水位224.74m,最高水位246.84m.安裝四臺(tái)水泵（三工一備），單泵流量2.95m3/s,揚(yáng)程為36.5m.本次計(jì)算范圍包括吸水罐前長(zhǎng)為12m的引水鋼管、吸水罐、吸水罐出口到泵前的吸水管，見(jiàn)圖1.
該高揚(yáng)程站采用截面為圓形，直徑為6m,長(zhǎng)為36m的圓柱形吸水罐。網(wǎng)格劃分均用Gambit劃分四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格局部單元最大尺寸400mm,最小尺寸100mm,增長(zhǎng)率1.5,網(wǎng)格單元總數(shù)98×104,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)19×104.經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查，當(dāng)網(wǎng)格單元總數(shù)在100×104左右，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)在20×104左右時(shí)可以滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的要求。
2.3邊界條件引水鋼管進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，異徑管末端出口設(shè)置壓力出口[9].各壁面均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，由于引水鋼管、吸水罐和吸水管均為鋼管，粗糙度較小，因此在設(shè)置邊界條件時(shí)設(shè)置較小的粗糙度[10].邊界條件示意圖見(jiàn)圖2.
3不同機(jī)組運(yùn)行的水力損失和流態(tài)對(duì)比
3.1不同機(jī)組運(yùn)行的水力損失對(duì)比
為系統(tǒng)地分析吸水罐不同機(jī)組的流動(dòng)特性，本文研究了不同機(jī)組臺(tái)數(shù)對(duì)于水泵機(jī)組運(yùn)行的影響，即分別分析了一臺(tái)泵、兩臺(tái)泵和三臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行特性。由于該吸水罐模型可近似視為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。一臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)有兩種情況（邊機(jī)組#1和中間機(jī)組#2），兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)共有四種情況；三臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)有兩種情況，本文僅分析其中一種即邊機(jī)組#1和中間機(jī)組#2、#3）。
通過(guò)CFD可得表1中六種工況的水力性能，結(jié)果見(jiàn)表2.表2中，h1、h2分別表示從吸水罐進(jìn)口到出口、吸水罐出口到水泵進(jìn)口的水力損失，h為整個(gè)計(jì)算域的水力損失。
由表2可看出，三臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)的水力損失最大，一臺(tái)泵邊機(jī)組#1運(yùn)行時(shí)的水力損失最小。兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，中間機(jī)組#2、#3運(yùn)行時(shí)水力損失最大，邊機(jī)組#1、#4同時(shí)運(yùn)行時(shí)水力損失最小。因此，從水力損失角度方面分析，中間機(jī)組運(yùn)行時(shí)的水力損失比邊機(jī)組運(yùn)行時(shí)的大。這可能是因?yàn)檫厵C(jī)組的流態(tài)要比中間機(jī)組的流態(tài)穩(wěn)定。為了進(jìn)一步對(duì)比中間機(jī)組與邊機(jī)組的差異，從內(nèi)部流場(chǎng)來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。
3.2不同機(jī)組運(yùn)行的流態(tài)對(duì)比
3.2.1單泵運(yùn)行圖3、4分別為單泵縱剖面（y=0）流線圖和多截面流線圖。由圖3、4可看出，單泵運(yùn)行時(shí)，邊機(jī)組#1運(yùn)行時(shí)，吸水罐內(nèi)的流態(tài)較好，無(wú)正對(duì)著吸水喇叭口的漩渦，且吸水管內(nèi)的流線較中間機(jī)組#2運(yùn)行時(shí)的光順。這是因?yàn)楫?dāng)水流由引水鋼管引入吸水罐時(shí)，水流會(huì)對(duì)吸水罐壁產(chǎn)生沖擊，距離進(jìn)口較近的機(jī)組，由于距離較短，水流尚未調(diào)整過(guò)來(lái)從而導(dǎo)致其流態(tài)較為惡劣。而距離進(jìn)口較遠(yuǎn)的邊機(jī)組，水流調(diào)整較好因而流態(tài)較好。故單泵運(yùn)行情況下，邊機(jī)組運(yùn)行要比中間機(jī)組運(yùn)行的流態(tài)好。
3.2.2兩泵運(yùn)行圖5、6分別為兩泵縱剖面（y=0）流線圖和多截面流線圖。由圖5、6可看出，兩泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，工況D6000-2-D的流態(tài)最好。其中邊機(jī)組吸水喇叭管下方的吸水罐局部區(qū)域均無(wú)漩渦，而中間機(jī)組無(wú)論是#2還是#3在吸水喇叭管下方均存在較大尺度的漩渦，這些漩渦會(huì)較大程度地影響水泵的吸水性能，不利于水泵高效穩(wěn)定運(yùn)行。
3.2.3三泵運(yùn)行
圖7為三泵流線圖。由圖7可看出，由于流量、速度的增加以及水泵機(jī)組之間干擾的加劇，邊機(jī)組和中間機(jī)組的差異性更加明顯。中間機(jī)組#2、#3吸水喇叭管下方存在大尺度的漩渦，而邊機(jī)組#1則流態(tài)較好。
4結(jié)論
通過(guò)對(duì)四平高揚(yáng)程站機(jī)組流動(dòng)特性的分析，發(fā)現(xiàn)裝備封閉式吸水罐泵站的水力學(xué)特性與開(kāi)敞式水池的泵站存在較大差異，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況相似，從而對(duì)該類(lèi)型泵站的運(yùn)行提出在單泵運(yùn)行情況下，盡量以邊機(jī)組運(yùn)行，以保證水泵能夠高效穩(wěn)定地工作；多臺(tái)泵運(yùn)行情況下，優(yōu)先選擇邊機(jī)組的組合進(jìn)行工作，具體實(shí)際操作以生產(chǎn)工作中具體要求而定。
參考文獻(xiàn)：
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