陈阿萍陈建波徐 乾黄 磊

（1.常州市城市防洪工程管理处 常州 213000 2.上海宝山水利工程有限公司 宝山 2009403.常州市水利规划设计院 常州 213000）

1 引言

水泵装置作为一个整体，包括泵段和进出水流道等，各部分的水流流态相互联系，相互影响。因此对整个泵装置进行三维流动数值模拟，不仅可以缩短泵装置水力优化设计的周期，又可以相对明确地了解整个泵装置的水力性能。本文借用某大型低扬程立式泵站H站的有关参数，采用数值模拟方法，利用Fluent流体力学分析软件对叶轮直径D=3.0m、D=3.4m、D=3.6m泵装置方案的水力性能进行研究，并对3种方案水力损失进行比较，从而对泵站水泵选型提供一定的参考。

2 泵装置计算区域及边界条件

泵装置整体计算的区域包括进、出水池、进、出水流道和轴流泵5个部分。泵装置计算区域如图1所示。

泵装置计算流场的进口边界设置在进水池进口处，进口断面为一垂直于水流方向的断面。在这里，可认为来流速度在整个断面上均匀分布。泵装置计算流场的出口边界设置在离出水流道出口有一段距离出水池断面，水流在出水池中经过一段距离的调整，到达出口断面时认为流动已成单向、完全发展的状态。

在泵装置中，将进、出水池底部及进、出水流道边壁、导叶面及叶轮室轮缘面等处设置为固壁，而将叶轮室段中所有与叶轮一起旋转的壁面（叶片表面及轮毂等面）设置为移动壁面，移动速度和方向与叶轮旋转的速度和方向一致。

3 装置计算区域网格剖分

图1 泵装置计算区域网格剖分图

轴流泵在工作时，叶轮部分是旋转的，而其他部分是静止的，因此在计算时要将计算域划分为动静两个区域，每种子区域使用不同的参考坐标系。叶轮室部分采用旋转坐标系，其他部分采用静止坐标系，利用叶轮室的进、出口平面将这两个区域分开。

对整个泵装置进行网格剖分时要从网格的数量和质量两个方面考虑。从理论上讲，划分网格时使用的节点间距越小，网格就越密，进而可以获得更精确的流场。然而过密的网格会导致网格单元总数和节点总数显著增加，这样不仅增加计算量，而且对计算机的硬件要求较高。另一方面，若网格节点的间距较大，则可能会造成网格单元的等角斜度（Equiangular Skew）较大，造成网格质量较差，进而影响到计算结果的精度。

鉴于对网格数量和质量的兼顾，本文对整个泵装置不同部位的网格划分采用不同的网格类型和不同的intervalsize。首先，在泵段部分，由于该部分结构较复杂，因此采用适用较强的Tgrid网格，网格节点亦采用较小的intervalsize，并在此基础上对叶片、导叶片等重要部位局部加密，使之能够更为准确地反映叶片细部的实际情况；进、出水流道部分，同样采用适应性较强的Tgrid网格，考虑到流道型线在单位长度上扭曲程度较小，同时为了减少网格数目，故适当增加了此部分的网格间距；进、出水池部分采用Cooper网格结构，在这里主要从减少网格数量方面考虑。整个装置部分网格剖分如图1所示。

4 泵装置数值模拟结果

本文对3个方案泵装置在设计流量34m3/s、叶片角度为0°工况下的流动情况进行了数值模拟，并对计算流场进行了比较。3个方案的泵装置在设计流量下的流场图见图2。

图2 各方案泵装置的流场图

4.1 进水流道流场计算结果

由图2可以看出：与不同叶轮直径相配套的进水流道在直线段内流态平顺，流速逐渐增大；进入弯管段后，水流逐步转向和加速，流道内侧流速明显大于外侧流速；在圆锥段内，水流经过圆锥段的段距离调整后，在接近于流道出口处，水流基本上趋于均匀分布且垂直于出口断面。

4.2 泵内流场计算结果

从图2中可以清楚地看出这3个方案泵装置泵段部分同轴面上的流速分布情况：水泵在设计工况下运行时，叶轮室及其导叶内部流动情况较好，无不良流态；叶轮室出口的切向流速较大，但经过导叶调整后，导叶出口断面的切向流速有明显的减小，整个断面以轴向速度为主。

4.3 出水流道流场计算结果

由图3可以看出：导叶出口水流存在一定的旋转环量，因此水流是旋转着进入出水流道的，出水流道在上升段内流速逐步减少，无脱流现象；下降段内水流由于受到水流惯性和环量的双重作用，导致主流偏向流道的左侧上部，而在流道右侧下部区域可能出现局部旋涡；由流场图可以看出，方案1的出水流道在下降段的右下方存在较大范围的漩涡，随着叶轮直径的增大，与其对应的出水流道内的流态有明显的改善，方案2的出水流道虽然在流道的右下方仍有漩涡存在，但漩涡的范围已缩小很多，强度也明显减弱，方案3的出水流道内已无不良流态。4.4流道水力损失计算结果

表1 3个泵装置方案的流道水力损失表

利用Fluent的后处理环节的报告功能，分别获得叶轮进口和导叶出口的总能量，根据两者差值可以计算泵段扬程Hpump：

式中：Ppump_in为叶轮进口的的总压，Hpump_out为导叶出口的总压。

同理，水泵的装置扬程可由下式求得：

式中：Hsystem为泵装置扬程，Pin为泵装置进口总压，Pout为泵装置出口总压。

则流道的水力损失可由下式求得：

式中：hf为流道水力损失，Hpump为泵段扬程。

根据上述公式可计算出这3个方案的泵装置在设计流量下的流道水力损失，结果见表1。

5 结论

本文采用整体研究的方法对不同叶轮直径的3个泵装置进行了三维湍流流动数值模拟，并对计算结果进行了比较分析，得到如下结论：在设计流量一定的条件下，适当选取较大的水泵叶轮直径有利于改善进、出水流道的流态和减少进、出水流道的水力损失，进而提高泵站装置效率