大套一站水泵装置进出水流道优化设计

摘要：运用计算流体力学方法，对更新改造的大套一站水泵装置初步设计和优化设计方案进行了数值模拟和能量特性预测，在给定的水位资料和土建控制尺寸范围内，优化进出水流道水力设计，并通过水泵装置模型试验对优化设计方案进行验证。优化设计方案有效地改善了水泵进水条件，减小了进出水流道损失，提高了水泵装置效率。数值优化方法的有效性得到了水泵装置模型试验的验证，能可靠地应用于水泵装置优化设计。

关键词：水泵装置；优化设计；数值模拟；模型试验

中图分类号：TV134；TH31 文献标识码：A 文章编号：

1672-1683（2011）01-0033-03

Optimization Design of Suction Box and Discharge Passage of the Datao First Pump Station

LV Sai-jun1,FEI Hai-rong1,DAI Long-yang1,ZHU Hong-geng2

(1.Yancheng Surveying & Design Institute of Water Resource,Yancheng 224002,China;2.College of Hydraulic Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China)

Abstract: Computational fluid dynamics was adopted to simulate the preliminary design and optimal design of the pumping system,and predict the energy performance of the Datao 1st Pumping Station.With the given water level data and within the limitations of civil construction dimensions,the design of suction box and discharge passage of the pumping system was optimized.Optimal hydraulic design of the pumping system has effectively improved the flow conditions of pump,decreased the hydraulic losses of suction box and discharge passage,and enhanced the efficiency of the pumping system.The validity of numerical optimal method was verified by the pumping system model test,which suggested that the method could be applied to the optimization design of the pumping systems.

Key words: pumping system;optimization design;numerical simulation;model test

1 研究背景

大套一站位于盐城市滨海县大套乡境内，是盐城市现有唯一直接向废黄河调水的泵站，担负着苏北灌溉总渠和废黄河两大灌区内的滨海、响水、阜宁、射阳四县与滨淮、黄海、淮海、临海四大省属农场及灌东、新滩两大盐场的抗旱排涝、工农业生产、交通航运、生活用水的重任。大套一站投入运行20多年来，为当地的国民经济建设发挥了重要作用。随着2000年通榆河盐城段的开通和2003年4月大套一站引水工程的建成投运，使大套一站的水情和工情发生了重大变化，已不能适应该地区经济发展要求。特别是大套一站机电设备老化严重，其泵站工程安全鉴定表明，主要设计指标已不能满足规范要求，故决定对大套一站进行更新改造。

对进出水流道进行优化设计，能有效地提高泵站运行的安全性，提高水泵装置效率［1-2］。本文将运用计算流体力学方法，对初步设计方案进行水泵装置性能预测，在给定的大套一站水位资料和土建控制尺寸范围内，进行进出水流道水力设计优化，改善水泵进水条件，减小水力损失，并通过水泵装置模型试验验证优化设计效果。[HJ1.63mm]

2 主要设计参数

更新改造后的大套一站采用堤后式块基型泵房结构，安装立式轴流泵5台套，配肘形进水和虹吸式出水流道，初步设计的大套一站泵房剖面图如图1所示，单泵设计流量10 m³/s。表1为大套一站上下游水位组合及灌排水工况下的特征扬程，泵站的主要功能以灌溉为主，排涝为辅。

3 进、出水流道水力设计优化

大套一站水泵装置水力设计优化是在满足《泵站设计规范》(GB/T 50265-97)的基本要求下进行的［3］。在给定的水位资料和土建控制尺寸范围内，借助计算流体力学方法，开展水泵装置内部流动分析和装置性能预测，实现大套一站的进、出水流道型线优化和装置优化水力设计，为水泵提供良好的进水条件，尽量减少进、出水流道的水力损失，提高水泵装置效率。

3.1 水泵装置内部流动数学模型

采用时均、不可压、黏性、恒定流动的Navier-Stokes方程，描述内部流动三维流场。采用RNG K-ε 紊流模型，封闭动量方程组。采用控制体积法进行控制方程离散；压力项采用标准格式进行离散，动量、紊动能及紊动能耗散率均采用二阶迎风格式进行离散；采用速度和压力修正协调一致的SIMPLEC算法，分离式求解控制方程离散后各变量的代数方程组，并采用亚松弛技术，加快计算收敛速度，降低计算成本［4-8］。

3.2 水泵装置全流道三维建模

本研究采用商业软件Fluent中的前处理器Gambit，实现计算域三维实体造型；采用结构化与非结构化相结合的网格，适应水泵部件和进出水流道的复杂形状。大套一站水泵装置数值计算模型约为758万个计算结点。大套一站初步设计的进、出水流道与比转数为850左右的水泵组成的水泵装置三维造型如图2所示。考虑到网格结点数目和计算机计算能力的限制，以及便于与泵装置模型试验结果对比，因此，本文数值计算对象均为叶轮直径为300 mm的模型水泵装置。

4 优化设计前后水泵装置能量特性比较4.1 初步设计水泵装置能量特性

运用计算流体动力学方法，对大套一站初步设计水泵装置进行了包括进出水流道、叶轮与导叶体和闸门槽在内的全流道数值模拟，流量Q=0334 m³/s时，肘形进水流道提供的水泵进水条件列于表2，进、出水流道的水力损失计算值分别为0148 m和0259 m。从表2可以知道，水泵进水条件稍差，水泵进口轴向流速分布均匀度仅为906%，速度加权平均的进口水流偏流角达到了779°，对发挥水泵性能和提高装置效率不利，灌溉工况的装置效率为7329%。

4.2 优化设计水泵装置能量特性

根据初步设计阶段大套一站进、出水流道控制尺寸，以及出水流道出口断面上缘高程从3.0 m降低为2.0 m的要求，在满足《泵站设计规范》(GB/T 50265-97)的前提下，对大套一站的进、出水流道进行了优化设计。图3为优化设计前后，大套一站水泵装置进、出水流道的型线比较。

4.2.1 优化设计前后肘形进水流道水力性能对比

4.2.2 优化设计前后虹吸式出水流道设计参数和装置能量特性对比

虹吸式出水流道的内部流态与流道型线设计、流道形状和尺寸参数的选择密切相关。根据大套一站虹吸式出水流道控制尺寸和出口上缘高程要求，对出水流道进行了优化设计，优化设计前后的流道型线变化很大。数值计算表明，内部流态平顺流畅，流速变化均匀，仅存在局部低速区（图5）。

表3为大套一站初步设计与优化设计的虹吸式出水流道设计参数和水泵装置性能对比。从表3虹吸式出水流道的设计参数的比较可以看到，优化设计后，驼峰顶部距机组中心距离缩短了3.35 m，增大了虹吸式出水流道上升段的上升角，有利于水流转向；同时，下降段水平长度的增加和下降角变缓，使得水流在下降过程中有较充分的空间逐步扩散和改变运动方向，有利于减小水力损失，提高水泵装置效率。大套一站虹吸式出水流道优化设计后，水力损失减小了0099 m，进、出水流道的水力损失之和较初步设计方案减小了0115 m，水泵装置效率提高了202%。

5 模型试验验证水泵装置优化设计效果

大套一站水泵装置进出水流道优化设计效果，在某高校水力机械多功能试验台上进行的水泵装置模型试验中得到了验证。该试验台按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL 140-2006）进行设计与建造，试验综合不确定度≤04％。大套一站水泵装置模型试验结果表明，在模型泵叶片安放角为＋2°、灌溉设计扬程H=4.80 m、Q=0.334 m³/s的工况下，水泵装置效率为7630%，与数值计算结果7531%误差不到1%，证明了数值计算方法的有效性和可靠性。

6 结论

在大套一站给定的水位资料和土建控制尺寸范围内，借助计算流体力学方法，对初步设计和优化设计的水泵装置开展了全流道三维紊流数值模拟和装置性能预测。通过水力设计优化，改善了进出水流道内部流态，减小了进出水流道的水力损失，为水泵高效安全运行提供良好的进水条件，水泵装置效率得到明显提高。大套一站进出水流道优化水力设计成果得到了水泵装置模型试验验证，说明了数值模拟方法能有效地应用于水泵装置水力设计优化，计算成果具有较高的可靠性。

参考文献:

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注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”

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