汪亚军，徐 丽，成 立，肖桂雨

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310000；2.江苏路翔交通工程有限公司，江苏南通 226500；3.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009）

0 引 言

我国中小型立式机组多采用开敞式进水池，水位变幅较大，易形成水面涡、附底涡和附壁涡［1］，为防止水面涡的发生，工程中对拥有自由水面的开敞式进水池添加盖板，形成封闭式进水池。张波涛等［2］利用PIV 技术研究了封闭式进水池内部流动特性。Xu Y［3］针对封闭式进水池提出改造方案，设置T 型涡漩阻器，试验（PIV 试验）表明设置T 型涡漩阻器能减少漩涡发生，可大幅优化封闭式进水池内部流态。目前国内外，关于封闭式进水池研究大多集中于不带叶轮、导叶，单纯进水池的研究［4，5］，对于泵装置全流场内部流动特性，泵装置效率方面的研究较少。针对轴流泵装置封闭式进水池，重点展开模型试验和CFD 数值模拟研究，对比分析其内部流动特性和水力性能影响。

1 泵装置模型计算

1.1 泵装置模型建立

图1 为计算模型示意图，包括进水箱、进水池、喇叭管、叶轮、导叶、弯管段、出水箱和出水延长段（与大气压相连）。计算域模块基本参数如下，叶轮：3片（叶片数），导叶：7片（叶片数），叶轮直径：120 mm，叶轮转速：2 400 r/min。进口处典型测压断面：1-1测试断面，出口处典型测压断面：2-2测试断面。计算域模型相关几何参数如下：池长L=5.5D，池宽B=3.7D，池高H=2.2D，后墙距T=1.3D，悬空高C=1.1D。（D为喇叭管口直径188 mm），Bi表示进水池池宽方向，Hi表示进水池池高方向，上述几何参数在封闭式进水池几何参数示意图中均已标明，如图2所示。

图2 封闭式进水池几何参数示意图Fig.2 The geometric parameter of enclosed suction sump

1.2 网格划分

数值模拟计算域共分为9 块，主要内容有：进水箱部分、封闭式进水池部分、喇叭管部分、叶轮（叶片3个）部分、导叶（叶片7个）部分、泵轴段（连接电机）、弯管段（水流转向）、出水箱部分以及出水延长段。其中叶轮、导叶部分网格质量要求较高，采用TurboGrid加密网格划分（采用六面体网格），进出水箱和弯管段采用Workbench 进行网格划分（采用六面体网格），泵轴段和喇叭管采用混合型网格进行划分，模型整体网格划分多采用六面体网格。考虑本文重点研究封闭式进水池区域，模型较为规则同时需要添加多个方案进行计算，采用四面体划分网格，该类型网格划分自适应性较好，计算结果收敛性较为理想。为进一步提升网格质量，网格划分时可通过调节网格节点数达到改善网格质量目的。考虑网格数量过少将影响数值模拟计算结果，优先完成网格无关性验算，计算结果表明当四面体网格数量达到90万个以后对泵装置扬程、轴功率几乎没有影响。整个计算域四面体网格数为81 万个，六面体网格数为231 万个，网格节点总数为262 万个，网格单元数为314 万个。整体网格划分如图3计算域网格划分图所示。

图3 计算域网格划分Fig.3 The grid partition of computing domain

1.3 边界条件设置

进口条件：数值模拟进水箱进口条件设置为质量流，可通过进口流量进行调节；数值模拟直管段出口条件设置为压力出口，与大气压相连。固体与流体接触面设置：固体壁面边界—wall，固体壁面参数选择：相对速度为0的无滑移壁面—No Slip，进水池出口断面与叶轮进口断面、叶轮出口断面与导叶进口断面，两者接触面均设置为冻结转子—Frozen Rotor，为保证交接面的连续性，计算域静态接触面设置为层接—Stage。三维定常流数值模拟主要参数设置详见表1所示。

表1 三维定常流数值模拟主要参数设置Tab.1 The main setting parameter of 3-D steady turbulence computation

2 模型实验

2.1 实验装置

模型实验装置包括：进水箱、封闭式进水池、叶轮室、导叶（叶片7片）、泵装置电机、弯管、出水箱、辅助泵、压力传感器、动力柜等组成，如图4封闭式进水池泵装置模型实验台所示。

图4 封闭式进水池泵装置模型实验台Fig.4 The model test bench for enclosed suction sump device

2.2 测量方法

模型装置性能实验严格参照《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL104-2006）执行，大流量至小流量工况展开试验，共布置7个流量工况点，每个流量调节点数据读取20次，去3个最高，3 个最低其余14 个数据取平均值作为计算结果，试验转速：2 400 r/min，泵装置相关性能参数计算公式如下：

式中：P总为总压差，Pa；P1总为测压孔平均总压（测试段进口处1-1 典型断面）；P2总为测压孔平均总压（测试段出口处2-2 典型断面），测压断面位置如图1计算模型示意图所示；Hsys表示泵装置扬程，m；T表示叶轮扭矩，N.m；n表示叶轮转速，r/min；N轴表示轴功率，kW。

3 数模与实验对比

3.1 封闭式进水池内部流动对比分析

在封闭式进水池内部沿水流方向截取5 个典型断面，采用Bi/B（池宽相对位置比）截取典型断面，进而展开进水池内部流动分析，如图5 进水池特征断面纵向流速云图与矢量流线图所示。如图5、6 所示，封闭式进水池内部流动主要分为2 个阶段即：进水池直线段、喇叭口收缩段。直线段流动主要表现为：水流在进水池直线段流线基本保持平行。喇叭口收缩段流动主要表现为：受喇叭口段的收缩水流流速增大的影响，进水池底部（向上方向）约1/3～2/3 区域的水流率先从喇叭口前侧及两侧直接进入喇叭口内，进水池底部向上约1/3 左右的水体紧接着从喇叭口前部进入到喇叭管内，盖板向下约1/3 左右的水体绕到喇叭口后方进入喇叭管内，整个封闭式进水池内部流动主要特征表现为：喇叭管口四周进水的过程。同时发现，在喇叭管口下方偏来流侧，出现了水流高速区，在进水池后壁下方区域和喇叭管口下方沿进水方向的两侧区域则相对表现为低速区，在喇叭管后方区域出现了强度不一的回流，该数模研究成果是在设计流量Q设=30.0 kg/s工况下获得。

图5 进水池特征断面纵向流速云图及矢量流线图Fig.5 Feature section velocity Z cloud chart and vector streamlined diagram

模型试验过程中，可在喇叭口后侧区域清晰地发现随时间变化左右摆动的附壁涡，如图6实验漩涡图所示（红色圆圈标记旋涡位置）。该附壁涡出现在盖板下方，随水流席卷伸向喇叭口，只是这种涡带维系的时间不是很长，强度不是很高，在喇叭管口后侧位置被水流冲散，从而未能进入叶轮室。对于数值模拟结果采用Tecplot进行后处理，同样在喇叭管后方得到明显的涡管图，如图7 喇叭管后方涡管图所示（红色圆圈标记涡流位置），该模型试验研究成果是在设计流量Q设=30.0 kg/s工况下获得。同时验证了数值模拟的可行性与有效性。

图6 实验漩涡图Fig.6 The vortex diagram during the experiment

图7 喇叭管后方涡管图Fig.7 The diagram of vortex tube behind horn tube

3.2 泵装置外特性对比分析

数值模拟与模型实验叶片安放角均为0°，两者转速相同：2 400 r/min，由图8 水力性能曲线可知，该轴流泵装置模型试验最高效率为58.8%，对应最优流量（设计流量）为30.0 kg/s，对应泵装置扬程为1.57 m。根据22～40 kg/s 流量范围（7 个工况点）对应流量、扬程数据绘制泵装置水力性能曲线，相关数据统计如表2 所示。重点分析大流量、设计流量、小流量工况，对比数模扬程和实测扬程曲线，可发现两者扬程曲线在不同工况下吻合较好，对比数模效率和实测效率曲线，两者存在一定差异，但在小流量工况和设计流量工况下两者差异较小，数模效率比实测效率高0.8%～2.4%，这一差异＜5.0%，满足两者允许的差异值；然而大流量工况下，封闭式进水池内部流动水流较为复杂、多变，数模效率与实测效率两者相差较大。

图8 水力性能曲线Fig.8 The curve of hydraulic performance

表2 水力性能数据统计表Tab.2 Hydraulic performance Statistics

4 结 论

（1）对封闭式进水池泵装置进行全流场数值模拟研究，计算了22～40 kg/s 流量范围内的7 个工况点，与泵装置模型试验展开对比，研究表明小流量与设计流量工况两者吻合较好，大流量工况因内部流动复杂，两者差异较大。建议后续研究方向可针对大流量工况展开，采用不同紊流模型、非定常流等进一步对比研究。

（2）设计流量工况下，数值模拟和模型试验在喇叭管后上方相同位置均捕捉到明显附壁涡，验证了数值模拟的有效性和可靠性。

（3）揭示了封闭式进水池内部流动主要分为2 个阶段的流动，即进水池直线段、喇叭口收缩段。这与开敞式进水池四面进水的水流特征基本相似。