泵站进水池流场的数值模拟.pdf

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1、·计算机技术·泵站进水池流场的数值模拟陈上志崔晓钰翁建华廉东方(1上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093；2上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090)摘要以取水泵站安全、高效运行为目的，对泵站开敞式进水池进行三维流场数值模拟计算。采取分区域网格生成方法及Realizablek—g湍流模型，分析进水池及吸水管内部流场，探讨影响进水池流场的各种因素，并进一步模拟分析了进水池内产生旋涡的可能性。关键词进水池泵站运行流场数值模拟0引言的流场，采用在流线弯曲、流动分离和二次流等方面开敞式进水池是具有自由水面的供水

2、泵或吸水适应性相对较好的Realizable走一￡湍流模型[。管直接吸水的水工构筑物，其设计的合理与否直接控制方程由连续性方程、雷诺平均N—S方程、湍动影响泵站的运行效率和安全。为了保证水泵有良好能方程(忌方程)和湍动能耗散率方程(￡方程)所组的进水状态，要求进水池中的水流平稳，即流速分布成[见式(1)～式(5)]。均匀、无旋涡、无回流，不良水流流场不仅会降低水连续性方程：泵的效率，甚至引起水泵汽蚀、振动而无法工作[1。一0(1)本文以A市某取水泵站进水池的安全、高效运动量方程：行为目的，进行数值模拟。进水池为典型的开敞

3、式矩形进水池，其主要几何参数包括进水池宽B、进水鑫c，乃一一+蠹(瑟)一蠹cP一池长L、喇叭口淹没深度hub、悬空高度P、后壁距T(2)(如图1所示)。图中D。一1．6m为吸水管直径，进是方程：水池各几何尺寸均以D为基准表示，见表1_2]。一8[(+a丝~1／丛axi]J+一(3)e方程：az一azL(＼r+。)／亳8x-]j+。l0c1匪一C2ID===(4)图1矩形开敞式进水池示意克罗内克函数：：：={(s)表1进水池几何尺寸式中z，——，J方向坐标分量，m项目悬空高喇叭口的淹后壁距进水池宽进水池长，——，方向时均速

4、度分量，m／sP没深度hB——分子动力粘度，Pa·s；尺寸02．125Di——湍流动力粘度，Pa·S；．375Di或10．3906D,2．375Di5．0468Di．25D，流体密度，kg／m。；1控制方程——平均压力，Pa；开敞式进水池内的流动是复杂的三维湍流流“，——，J方向脉动速度分量，m／s动，具有旋涡、回流等现象，为真实地模拟进水池内是——湍动能，J／kg；168给水排水Vo1．40N0．72014e——湍动能耗散率，J／(kg·s)；2．2．2流场出口——大尺度涡脉动动能产生率，计算流场的出口设在水泵的吸水管

5、出口处，出J／(ITI。·s)；口边界条件为：分子运动粘度，m／s；一0(1，2，3)，磐一0(9)卜时均应变率张量，S一。d72式中——出口断面的单位法向矢量。其他系数：fk一1．0，一l_2，C2一1．9，C1—0．09～0．5。2．2．3自由液面2数值计算方法和边界条件进水池液面为自由液面，不考虑其表面波动，采用缸盖假定的方法，简化成对称面l_6]。2．1数值计算方法2．2．4固壁边界由于计算域形状复杂，采用分块网格生成方法，将整个计算域划分成水泵吸水管和进水池内部两个进水池和吸水管壁面均为固壁，近壁处采用壁面函数

6、¨7]。部分，采用非结构化网格，并对流动变化比较剧烈的吸水管内区域单独以较小尺寸的网格划分。整个计3模拟结果算区域没有出现歪斜率大于0．97的网格，且9O3．1不同液面高度下的流场模拟结果水泵进水条件的变化直接影响水泵工作性能，进以上网格的歪斜率小于0．5，总体网格质量较好。水流场不良不仅会增加泵内水力损失，降低水泵效采用有限体积法对控制方程进行离散，对压力、动量、湍动能采用二阶迎风离散格式，并采用SIMPLE率，而且还容易引起泵气蚀。在相同的水泵出水流量(5m3／s)条件下，对开敞式进水池在不同的液面高度算法。模型中涉

7、及自由液面，且流体有在垂直方向上的流动分量，计算时考虑重力项。(4m，2．6m)的流场进行模拟。高液面(4m)和低液2．2边界条件面(2．6m)两种模型的主纵断面流线如图2所示。2．2．1流场进口计算区域取在进水池进口断面处向前池做一定的延长，认为流体充分发展，以流速分布为入口边界条件，前池来流为正向垂直进入进水池，进口断面为均匀来流；取水水泵流量即为区域流量，同时根据入口处的断面尺寸即可得知人口处的断面平均流速。a焉液向(4m)b低液面(2．6m)进口边界上的k和e的估算值，由式(6)给出。图2不同液面高度下的主纵断面

8、流线图湍动能k为：图3、图4分别为吸水管距喇叭口不同位置处k_-3(fI)。(6)的等流速图。由图可见，在进水池的直段内，流线平顺，流速逐渐增大；进入喇叭口段后，水流迅速改变I-0．16(ReDH)一(7)方向并加速，靠近迎水侧内壁处的水流流向的改变尤式中——湍流时均速度，m／s；其剧烈；经过吸水管内扩张段及直管段短