cfd技術(shù)在雨水泵站設(shè)計中的應(yīng)用

1、<p>　　CFD技術(shù)在雨水泵站設(shè)計中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：在某雨水泵站設(shè)計中，采用ANSYS CFX12.1計算流體分析軟件對泵站進(jìn)水流道進(jìn)行了數(shù)值流場計算，分析了不同工況下泵站的流場結(jié)構(gòu)，對雨水泵站的設(shè)計及運行提出了建議。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：雨水泵站；CFD </p><p>　　中圖分類號：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

2、 </p><p>　　CFD 在最近20 年中得到飛速的發(fā)展,并在近幾年廣泛的應(yīng)用于分析和改進(jìn)泵站設(shè)計以及水力性能的計算等方面[1]。采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬, 能在短時間內(nèi)較為準(zhǔn)確地預(yù)測水泵裝置的性能, 并通過改變各種參數(shù)來達(dá)到最佳設(shè)計效果, 為下一步的水泵裝置模型試驗提供了指導(dǎo), 節(jié)省了試驗所需的人力、物力和時間[2]。 </p><p><b>　　1 工程概況 <

3、;/b></p><p>　　該雨水泵站設(shè)計規(guī)模13.6 m3/s，采用6臺潛水軸流泵，單泵設(shè)計流量2.27m3/s，設(shè)計楊程8.8m。 </p><p>　　圖12 雨水泵站平面圖、剖面圖 </p><p><b>　　2 計算邊界條件 </b></p><p>　　由于格柵柵條分布均勻且對稱布置,具有一定的穩(wěn)流

4、作用，可以認(rèn)為此處的來流流速均勻分布，因此，將格柵后集水池至雨水泵出水管部分作為本次計算區(qū)域，并根據(jù)計算流體力學(xué)的特點，將出水管適當(dāng)延長，減少出口邊界條件對計算區(qū)域的影響。 </p><p>　　計算采用三維建模軟件UGNX7.5，采用ANSYS CFX12.1計算流體分析軟件進(jìn)行分析。計算區(qū)域建模如圖2所示。 </p><p>　　圖2 雨水泵站建模幾何外形圖 </p>&

5、lt;p>　　3 數(shù)值模擬結(jié)果分析 </p><p>　　泵站集水池的幾何尺寸的不同會導(dǎo)致集水池內(nèi)水流狀態(tài)的差異，進(jìn)而影響水泵的運行狀態(tài)及效率，嚴(yán)重的會造成水泵葉輪汽蝕，降低水泵使用壽命。 </p><p>　　影響水泵運行的水利現(xiàn)象主要體現(xiàn)在以下兩個方面： </p><p>　　3.1 水泵吸入口處的旋流角。水泵吸入口產(chǎn)生旋流的主要原因通常是由于進(jìn)水渠道中流

6、速分布不對稱引起的。旋流角過大會打亂水泵吸入口處的入流狀態(tài)，導(dǎo)致水泵電機(jī)過載運行，引起機(jī)械故障，因此，必須采取措施減小旋流角。目前國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)為美國水力協(xié)會要求的最大旋流角允許值為5°，最大旋流角為7°。 </p><p>　　3.2 速度偏差。速度偏差指水泵吸入口處入流速度的分布不均勻。吸入口處入流速度分布越均勻，水泵運行狀態(tài)就越好，顯著的非均勻入流會在水泵葉輪引起荷載震動，導(dǎo)致水泵效率

7、下降。按照美國水力協(xié)會要求水泵吸入口軸向速度分布平均值的偏差應(yīng)≤10%。 </p><p>　　針對上述問題，根據(jù)雨水泵的規(guī)格參數(shù)及布置，分別對如下三種工況進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬。 </p><p>　　工況1：6臺泵全部開啟； </p><p>　　工況2：最外面兩臺泵開啟； </p><p>　　工況3：最外面一臺泵開啟； </p&g

8、t;<p>　　對三種工況的CFD模擬結(jié)果如下： </p><p>　　圖3工況1泵站整體流動狀態(tài)圖 </p><p>　　圖4工況2泵站整體流動狀態(tài)圖 </p><p>　　圖5 工況3泵站整體流動狀態(tài)圖 </p><p>　　由圖3~圖5可知，上述三種工況下，由于集水池底部坡度的存在，使得該點水流產(chǎn)生了旋流渦動。但旋流緩慢，

9、對水泵運行影響較小。 </p><p>　　由圖3可知，工況1由于6臺雨水泵全開，前池水流整體流線基本左右對稱。流體匯聚流向喇叭口，越靠近喇叭口，速度越大。在喇叭口處，流速平行于吸水管軸線，偏離角度很小，水泵進(jìn)口條件較好。水泵入口來流旋轉(zhuǎn)角度及速度偏差見表1。 </p><p>　　表1 工況1水泵入口來流旋轉(zhuǎn)角及速度偏差 </p><p>　　由表1可以看出，當(dāng)6

10、臺水泵運行時，在水泵入口最大速度偏差為6.41%，最大旋流角度4.83，均小于ANSI/HI9.8-1998中的規(guī)定。這種工況下，集水池內(nèi)的水流狀態(tài)不會對水泵的運行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 </p><p>　　有圖4可知，工況2由于兩臺水泵分別運行于泵池的兩邊，泵站內(nèi)的水流基本對稱，但在集水池末端存在漩渦流動。在集水池水面上存在明顯的漩渦流動。進(jìn)水流道中流動不均勻，在工作水泵的進(jìn)水流道中速度較大，在其他水泵的進(jìn)水流道中

11、速度較小，且存在低速帶，易造成死水區(qū)域。水泵入口來流旋轉(zhuǎn)角度及速度偏差見表2。 </p><p>　　表2 工況2水泵入口來流旋轉(zhuǎn)角及速度偏差 </p><p>　　由表2可以看出，當(dāng)2臺水泵運行時，在水泵入口最大速度偏差為5.78%，最大旋流角度3.58，均小于ANSI/HI9.8-1998中的規(guī)定。這種工況下，集水池內(nèi)的水流狀態(tài)不會對水泵的運行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 </p>

12、<p>　　有圖5可知，工況3由于只有泵池最左側(cè)的1臺泵運行，泵池內(nèi)的水流比較紊亂，水流會通過集水池中隔墻的開孔從右側(cè)向左側(cè)流動，造成左側(cè)集水池內(nèi)的側(cè)向入流，在左側(cè)集水池及水泵進(jìn)水流道處形成漩渦。水泵入口來流旋轉(zhuǎn)角度及速度偏差見表3。 </p><p>　　表3 工況3水泵入口來流旋轉(zhuǎn)角及速度偏差 </p><p>　　由表3可以看出，當(dāng)1臺水泵運行時，在水泵入口速度偏差為6.4

13、1%，旋流角度3.31，均小于ANSI/HI9.8-1998中的規(guī)定。這種工況下，集水池內(nèi)的水流狀態(tài)不會對水泵的運行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 </p><p><b>　　4 結(jié)語 </b></p><p>　　采用ANSYS CFX12.1計算流體分析軟件對泵站進(jìn)水流道進(jìn)行了數(shù)值流場計算分析，結(jié)果表明： </p><p>　?。?）三種工況條件下，最

14、大速度偏差不大于10%，來流旋流角最大值不大于5度，滿足ANSI/HI9.8-1998中的規(guī)定，不會對水泵入流造成嚴(yán)重影響[3]。 </p><p>　　（1）當(dāng)雨水泵左右對稱開啟時，前池水流整體流線基本左右對稱。在水泵吸入口處，流速平行于吸水管軸線，偏離角度很小，水泵進(jìn)口條件較好。 </p><p>　?。?）當(dāng)雨水泵左右開啟不對稱時，泵池內(nèi)的水流比較紊亂，會導(dǎo)致集水池及水泵進(jìn)水流道處形

15、成漩渦，由于泵站設(shè)計中設(shè)置了導(dǎo)流板，漩渦不會延伸至水泵吸入口，故不會對水泵的運行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 </p><p>　?。?）當(dāng)水泵不是全部開啟，尤其是只開1臺泵的工況下，會在其他不開啟水泵的進(jìn)水流道內(nèi)形成低流速區(qū)域，形成死水區(qū)，因此，應(yīng)定期調(diào)整運行的水泵，以免形成死水區(qū)，影響泵站的正常運行。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p>&

16、lt;p>　　1 潘中永、李曉俊、袁壽其、謝蓉．CFD技術(shù)在泵上的應(yīng)用進(jìn)展[J]．水泵技術(shù)，2009，(1)：1~6 </p><p>　　2 潘強(qiáng)、王鋒．CFD軟件在龍子湖泵站設(shè)計中的應(yīng)用[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31(5)：55~57 </p><p>　　3 李海峰．中新天津生態(tài)城東北部片區(qū)雨水泵站CFD計算分析報告[R]．上海：上海凱士比泵有限公司. 2011：