贯流泵装置出水流道进口区压力及速度场分析

贯流泵装置具有结构简单、安装检修方便、投资较少和水力效率高等优点,适用于3 m以下的大中型低扬程泵站。贯流泵装置由进水流道、叶轮、导叶体和出水流道4部分组成,出水流道对贯流泵装置能量性能的影响较为明显[1]。为提高泵装置水力效率,学者们已对出水流道水力性能开展了较多研究工作,主要集中在:出水流道三维形体参数的优化[2-5],多工况出水流道的内流场分析[6-9],出水流道结构形式的比较分析[10-11],环量对出水流道水力性能的影响分析[12-14]等方面。当前学者们对出水流道水力性能的研究主要采用三维定常流场的分析方法,出水流道内部流场受进口区流态的影响较大且该流场具有明显的三维非定常特征,出水流道进口区的非定常压力及速度场分布如何尚无明确结果。开展出水流道的水力设计优化需考虑进口流态对出水流道水力性能的影响,为解决该问题,笔者采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对贯流泵装置全流道进行三维非定常数值计算,重点分析出水流道进口区的压力变化过程和速度演变规律,以期为阐明出水流道进口区的非定常流场特性提供信息,也为进一步提高贯流泵装置水力稳定性和出水流道的水力优化提供理论基础。

1　物理模型及模拟方法

图1　贯流泵装置三维模型
Fig.1　3D model of the S-shaped shaft tubular pumping system

贯流泵装置由进水流道、叶轮、导叶体及出水流道4部分组成,如图1所示。水力模型采用比转数为1 350的轴流泵,叶轮名义直径为300 mm,轮毂比为0.40,叶片安放角为0°,叶轮叶片数为3,导叶体的叶片数为7,额定转速为1 450 r/min。计算区域包括贯流泵装置、进水段和出水段3部分。

叶轮和导叶体为泵装置的核心水力部件,其网格质量和分布对泵装置水力性能的预测有直接影响。叶轮选用H/J/L-Grid拓扑结构,导叶体采用H-Grid拓扑结构进行结构化网格剖分,并在叶片周围进行了网格加密处理,数值计算中考虑了叶顶间隙,叶顶间隙均值为0.15 mm。进水流道和出水流道均采用ICEM CFD软件进行结构化网格剖分。网格质量对泵装置数值计算的结果影响较大,需满足计算区域内无负体积、网格正交性和纵横比的要求,网格正交性由单元任意2个面之间的夹角来保证,最低正交性夹角在15°～165°之间,借鉴文献[2,15-20]对泵装置内流场非定常计算所需的网格数量,同时通过网格数量无关性分析,并将预测结果与物理模型试验结果进行对比分析,最后确定泵装置数值计算的网格节点总数为1 628 407,网格单元总数为1 516 416。贯流泵装置出水流道进口区定义如图1所示。

数值计算主要基于雷诺时均Navier-Stokes控制方程和RNG k-ε湍流模型。RNG湍流模型通过修正湍动黏度,考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况,能更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,主要应用于旋转坐标系下的流动问题。控制方程采用基于有限元的有限体积法进行离散化,离散方程采用全隐式耦合代数多重网格方法进行求解,在离散过程中对流项采用了高分辨率格式,其他项采用中心差分格式。

进口边界采用速度进口条件,出口边界采用压力出口条件,近壁区采用可伸缩壁面函数处理,计算收敛精度设置为10-5。定常计算中动静交界面类型选用Stage界面,瞬态计算中动静交界面选用Transient Rotor-Stator界面,非定常数值计算以定常数值计算结果为初始条件。叶轮每转过1°为一时间步,其时间步长t=1.149 42×10-4 s,一个周期时间步长数为360,总时间为8倍叶轮旋转周期,叶轮每旋转3°压力监控点采样1次。

2　数值计算结果与分析

2.1　数值计算值与试验值对比

图2　流道的物理模型
Fig.2　Physical model of inlet and outlet conduits

图3　外特性预测值与模拟值对比
Fig.3　Performance comparison of calculated values and test values

为验证贯流泵装置非定常流场数值计算结果的可靠性,对同尺寸的贯流泵装置物理模型进行了能量性能测试,能量性能测试在江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水力机械试验台上进行,该试验台的综合不确定度为±0.39%,符合文献[21]的规定要求,并于2015年通过国家计量复检,测试按照文献[21]中6.1节能量试验的要求进行,模型泵装置的试验效率为扣除机械损失扭矩后的数值,模型泵装置能量性能试验参数与数值计算设置的相关参数相同,贯流泵装置的进水流道和出水流道的物理模型如图2所示。泵装置非定常数值预测的能量性能与物理模型所得结果的对比如图3所示。贯流泵装置预测的流量系数KQ与扬程系数KH的曲线与模型试验所得性能曲线的趋势基本一致,泵装置数值预测的KH与模型试验结果的最大相对误差为3.15%,效率的最大相对误差为3.07%,表明贯流泵装置非定常数值计算结果可信,验证了本文的网格数量及湍流模型的适用性。

2.2　非定常速度分析

为便于分析,将1个物理周期时间平均分为6个时间段,即7个时间点,则在完整物理周期内的各时间点t分别为0、T/6、2 T/6、3 T/6、4 T/6、5T/6和 T。依据叶片旋转位置,在时刻0和T时叶片的位置相同则流场特性相同,记t1=T/6、t2=2 T/6、t3=3 T/6、t4=4 T/6、t5=5T/6和t6=T。选取出水流道进口区半径为210 mm的轴面速度进行分析,则出水流道该处的轴面速度演变规律如图4所示。不同工况时出水流道进口的轴面速度分布均呈现7个速度波峰和7个速度波谷,有明显的周期性,这与导叶体的叶片数量相同,表明出水流道进口的轴面速度分布受导叶体叶片数的影响；在导叶体叶片数和叶片厚度的作用下有明显的尾迹特征,轴面速度分布相位已不随叶轮的旋转而发生变化。随着贯流泵装置流量系数的增大,出水流道进口的轴面速度的尾迹特征逐步减弱,在小流量工况KQ=0.368时,出水流道进口有明显的回流,且随KQ的增大,导叶体的整流效果越明显,出水流道进口区的轴面速度分布越趋于稳定。

图4　不同工况时出水流道进口轴面速度演变规律
Fig.4　Axial velocity revolution in the inlet region of outlet conduit under different conditions

2.3　非定常压力分布分析

选取工况KQ=0.460分析出水流道进口区域的非定常压力分布情况,在出水流道进口边界和导叶体出口边界条件的双重约束下,出水流道进口区域压力随时间的变化如图5所示(图中N代表叶轮旋转的圈数)。出水流道进口区压力在110～111 kPa间变化区域较明显,后导水锥区域压力均在111～114 kPa区域范围明显变大,表明水流经出水流道前段扩散,速度逐步降低,压力逐渐增大,进一步回收能量,将动压能转化为静压能。出水流道进口区的压力波动主要受导叶体进口流态和导叶体结构的双重影响。

图5　出水流道进口区压力变化图(KQ=0.460)
Fig.5　Static pressure contours in the inlet region of outlet conduit(KQ=0.460)

2.4　非定常压力脉动特性

图6　脉动监测点位置示意图
Fig.6　Locations of pressure fluctuation monitoring

为监测贯流泵装置出水流道进口区压力脉动特性,在出水流道进口区布置监测点P01～P06。监测点位于出水流道进口圆形断面,6个监测点以水泵轴为对称轴进行轴对称布置,监测点的位置示意图如图6所示。

图7　不同监测点的脉动频谱
Fig.7　Spectrum charts for pulsations of P01-P06 under different operating conditions

借鉴文献[19]中压力系数CP的定义进行分析,采用快速傅里叶变换(FFT)对压力脉动的时域数据进行处理,各监测点的脉动频谱如图7所示。在KQ=0.368时,出水流道进口区监测点P01～P03的脉动主频为1.125倍的转频;监测点P04、P05的脉动主频为0.375倍的转频,监测点P06的脉动主频为0.563倍的转频。出水流道进口区各监测点的脉动数据差异较大,各监测点脉动幅值的最大差值为0.007 2,最小差值为0.000 2,间接表明了出水流道进口区流态较紊乱,也验证了图5所得结论,整体脉动幅值变化呈双峰曲线状。在KQ=0.460时,出水流道进口区监测点P01～P03的脉动主频为0.563倍的转频,监测点P04的脉动主频为3倍的转频,监测点P05的脉动主频为0.75倍的转频,监测点P06的脉动主频为0.188倍的转频。各监测点间脉动幅值的最大差值为0.002 9,最小差值为0,相比工况KQ=0.368时出水流道进口区各监测点的脉动变化较小。在KQ=0.552时,出水流道进口区P01的脉动主频为0.882倍的转频,监测点P02～P05的脉动主频均为0.176倍的转频,监测点P06的脉动主频为0.353倍的转频。各监测点间脉动幅值的最大差值为0.001,最小差值为0.000 1,相比工况KQ=0.368和KQ=0.460出水流道进口区的脉动幅值变化最小。不同工况时各监测点的主频及次主频均为低频脉动。不同工况时相同监测点的脉动主频存在差异主要因不同工况时出水流道进口区的流态存在差异,不同工况导叶体内部流态紊乱程度及导叶体对叶轮出口速度环量的回收效果不一样所致。

3　结　　论

a. 不同工况时出水流道进口的轴面速度分布均呈7个速度波峰和7个速度波谷,有明显的周期性,与导叶体的叶片数量相同,出水流道进口区的轴面速度分布受导叶体叶片数的影响。随着贯流泵装置流量系数的增大,出水流道进口区的轴面速度的尾迹特征逐步减弱。

b. 水流经出水流道逐渐扩散,速度逐渐降低,压力逐渐增大,出水流道能进一步回收能量,将动压能转化为静压能。出水流道进口区的脉动主频受叶轮的旋转影响很小,压力波动主要受导叶体进口流态和导叶体结构的双重影响,且与导叶体叶片数未成规律。不同工况时各监测点的主频及次主频均为低频脉动。