王 丽 张大恩 吴志旺 关醒凡

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223000；2.上海凡方流体机械有限公司，上海 200061；3.上海东方泵业（集团）有限公司，上海 200061）

1 概述

张家港市三干河枢纽工程由节制闸和泵站两部分组成。泵站安装3套2200ZLB13.4-2 开敞式立式轴流泵，配TL800/40 同步电机。泵装置和泵站结构如图1 所示。

泵站的下廊道为进水流道，上廊道为出水流道，流道两端分别设置2道闸门。泵虽是单向运转，但通过开闭4 道闸门可以改变进出水方向，进而实现水流双向供水（排涝、灌溉）的运行目的。

张家港市三干河南延工程三干河枢纽工程泵站参数如表1 所示。

根据与本泵站相似的海洋泾泵站装置试验结果进行选型，选型结果如图2 所示。

从结果可知，叶轮外径2200 mm，转速150 r/min，泵在0°运行，可以满足设计要求，此时模型装置效率为68%～70%。

2 模型的建立及边界条件

2.1 计算模型和网格划分

本次模拟以开敞式立式轴流泵的进水流道、叶轮、导叶及出水流道作为研究对象，主要的性能参数如表2 所示。

网格的划分对计算结果极为重要，网格的质量和疏密程度也会影响计算结果的准确性和可靠性。考虑整个装置的复杂性和计算机内存的要求，本次采用Tetra/Mixed 网格，即采用对复杂边界适应性较好的非结构化四面体网格对计算域进行网格划分，网格总数为3607792。计算域及网格划分结果如图3 所示。

2.2 控制方程及湍流模型

采用工程广泛应用的雷诺平均模型可描述泵装置内部流体的流动，笔者采用RNGκ-ε 模型以便更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。

RNGκ-ε 模型方程为：

图1 三干河开敞式立式轴流泵结构图

表1 三干河南延工程三干河枢纽工程泵站特征扬程组合

图2 泵装置综合特性曲线（海洋泾模型）

表2 各计算工况点参数

图3 计算域及网格

其中：

2.3 边界条件

以进水流道进口为泵装置进口边界，以质量流量为进口边界条件；以出水流道出口为泵装置出口边界，出口设置为自由出流；整个装置的固体壁面采用无滑移条件，湍流壁面采用壁面函数法处理。

3 数值分析和结果对比

为研究引水和排涝工况泵装置和泵流场状态，笔者选取工况2 和工况3 的流场特征进行分析，如图4～图10 所示。

图4 为泵装置流线分布情况。从图中可以看出，整个装置在出水流道和进水流道封闭侧产生较大的漩涡，流动十分紊乱。流体在进水流道后受叶轮的作用，大部分液体直接通过叶轮、导叶进入出水流道；一部分流体要到达进水流道封闭侧，再经过叶轮和导叶到达出水流道，这部分流体会在进水流道和出水流道封闭侧产生较大漩涡。

图4 泵装置流线分布

图5 叶轮工作面压力云图

图6 叶轮背面压力云图

图7 叶轮区域速度矢量

图8 叶轮区域流线分布

图9 导叶区域速度矢量

图10 导叶尾部速度矢量

图5～图8 为叶轮区域的流动情况。由4 幅图片可以看出，叶片工作面压力高于叶片背面，叶轮区域流线整体较顺畅；叶片进口边外缘受到轻微冲击；叶片进口边外缘工作面和背面压差较大，导致叶片进口边外缘易发生汽蚀。

图9～图10 为导叶区域的流动情况。导叶片靠外缘部分流线顺畅；叶片出水边靠近轮毂处有不同程度的回流现象，液体运动速度方向发生了较大变化；导叶根部流动相对外缘较紊乱。

为说明CFD 模拟结果准确性和可靠性，将4 个工况的计算结果与选型结果进行比较，如图11～图12 所示。数值模拟结果和根据泵段和泵装置模型试验数据选型结果相差不大，表明泵在运行中能满足设计要求。

5 结论

图11 H-Q 曲线

图12 η-Q 曲线

（1）笔者对泵站的整个装置进行了模拟，包括叶轮和导叶，相比不添加叶轮、导叶或假设叶轮和导叶的模拟更具真实性。

（2）由泵装置流线分布图可知，进、出水流道封闭侧的流动较为紊乱，这也是双向流道效率不高的重要原因。

（3）从模拟结果和泵段及泵装置模型试验数据来看，两者相差较小，表明本泵满足运行要求。

［1］王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［1］关醒凡.轴流泵和斜流泵水力模型设计试验及工程应用［M］.北京：宇航出版社，2009.