灯泡贯流泵装置的基本流态分析

摘要：为了回答灯泡贯流泵装置中的灯泡体究竟应该前置还是应该后置的问题，应用水泵装置三维湍流数值模拟的方法分别研究了南水北调东线工程某泵站前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置两个不同方案的流态，揭示了前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的基本流动属性；数值模拟的结果得到流道模型试验的验证。研究结果表明：前置灯泡贯流泵装置的进、出水流态均匀平顺，水力损失较小；后置灯泡贯流泵装置的进水流态均匀平顺，但出水流道内存在明显的偏流和旋涡流动，水力损失较大；灯泡体前置符合水力学的基本原理，是获得最佳灯泡贯流泵装置水力性能的必要条件之一。

关键词：灯泡贯流泵;装置;基本流态;分析

中图分类号：TV72 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2007）03-0030-03

Analysis of Basic Flow Pattern in Bulb Tubular Pump System

LU Lin-guang1,CHEN Jian2，CHEN A-ping1, HUANG Jin-jun1,WANG Xing-mei2, ZOU Jian-guo2

（1.College of Hydraulic Science & Engineering, Yangzhou University, 225009 China;2. Huaian Investigation and Design Institute of Water Conservancy, Yangzhou, 223005 China）

Abstract: Study on flow patterns in both front positioned and rear positioned bulb tubular pump system was executed by3D turbulent numerical simulation method, based on these the basic flow characteristics of frontand rear positioned bulb pump system were realized. The numerical results were verified by the help of model test. The results indicate that: the flow pattern in the inlet and outlet conduit of the front positioned bulb tubular pump system is uniform and smoothly, and the conduit hydraulic loss is smaller; The flow pattern in the inlet conduit of the rear positioned bulb tubular pump system is sameas the fronthowever, there is vertex and deviation flow in the outlet conduit of rear positioned bulb tubular pump system, and the conduit hydraulic loss is larger; It is consistent with the hydraulic essential principle to position the bulb in front of the pump, which is one of the necessityfor bulb tubular pump system to obtain the best hydraulic performance.

Key words:bulb tubular pump system;basic flow pattern; numerical simulation analysis

1 问题的提出

为了获得较高的装置效率，南水北调东线一期工程有7座扬程降低的泵站选用了大型灯泡贯流泵装置。这种型式的泵装置结构复杂、造价高，国内外应用都很少，在设计制造及运行管理等方面还相当缺乏经验，在优化水力设计方面还存在一些待解决的重要问题［1-2］。例如：在灯泡贯流式水轮机装置中，灯泡体一般设置在进水侧，只有少数设置在出水侧。从灯泡贯流泵结构方面的要求看，灯泡体可以设置在泵的进水侧（灯泡体前置），也可设置在泵的出水侧（灯泡体后置）。灯泡贯流泵装置中的灯泡体究竟应该前置还是后置？不同的布置方式对泵装置的水力性能具有什么样的影响？这是灯泡贯流泵装置水力设计须明确的一个基本问题。

基本流态是水泵装置最本质的属性，水泵装置的水力性能与其密切相关。本文应用三维湍流数值模拟的方法分别研究了南水北调东线工程某泵站（以下简称H泵站）前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的基本流态及水力性能，并采用透明流道模型试验的方法对数值模拟的结果进行了验证。

2 H泵站灯泡贯流泵装置的概况

H泵站初步设计方案的泵房纵剖视图示于图1。由于水泵水力模型需到主泵设备招投标阶段结束后才能确定，在本文研究的贯流泵装置三维流动数值模拟计算中，选用了与该站泵装置水力性能要求相近的ZBM791水泵水力模型。H泵站设计扬程4.28 m、平均扬程3.06 m，单泵设计流量为34 m³/s。在本文的数值模拟中，将ZBM791-100水力模型换算至初步设计阶段确定的原型泵叶轮直径3.3 m，并根据H泵站的扬程和流量的要求，确定水泵转速为115.4 r/min（nD值为380.82）。

灯泡体的支撑结构对贯流泵装置运行的稳定性和水力性能都具有重要影响。本文按H泵站初步设计阶段采用的国内水泵生产厂家提供的灯泡体支撑结构方案进行灯泡贯流泵装置的数值模拟。

贯流泵装置流道的控制尺寸对泵装置的水力性能具有很大影响，对泵站土建投资也有很大影响。本文以H泵站初步设计确定的泵站长度、宽度和水泵叶轮中心高程及进、出水流道底板高程为基础分别对前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置进行了优化水力计算。在此项研究工作的基础上，对前置灯泡贯流泵装置的最优者和后置灯泡贯流泵装置的最优者进行比较。图2和图3分别为经过水力优化的前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置的透视图。

3 灯泡贯流泵装置内部流场数值模拟的数学模型

3.1 控制方程

灯泡贯流泵装置内部流场数值模拟的控制方程包括连续性方程、动量方程及模型中的方程和方程，对此，已有很多文献作了介绍［3-5］，本文不再赘述。

3.2 边界条件

本文将灯泡贯流泵装置内部流动数值模拟的实体区域分成6个部分：进水池;进水流道;灯泡体及其支撑、进人孔;水泵转轮及导叶体;出水流道;出水池。这样做，一方面是为了便于局部加密网格，另一方面也是为了能为水泵叶轮室单独给定流体区域的边界条件。

3.2.1 进口边界。本项研究计算流场的进口设置在进水池中距进水流道进口足够远处，进口面为一垂直于水流方向的断面，在这里，可认为来流速度在整个断面上均匀分布。计算流量可作为已知条件，故而进口边界采用速度进口边界条件。

对于湍流模型，流速进口断面尚需给出水流湍动能量及其耗散率的边界条件。本文采用了FLUENT软件提供的默认值，湍动能和湍动耗散率均为1。

3.2.2 出口边界。计算流场的出口设置在出水池中距出水流道出口足够远处，出口面为一垂直于水流方向的断面，在这里，流动是充分发展的，可采用自由出流边界条件。

3.2.3 边壁边界。进水池底部及进水流道边壁、导叶体、灯泡体及支撑、进人孔、出水流道边壁及出水池底部及叶轮室轮缘面处设置为静止壁面。叶轮室段中所有与叶轮一起旋转的壁面（叶片表面及轮毂等面）都采用移动壁面，且移动的速度和方向与叶轮旋转的速度和方向一致。

3.2.4 自由表面。进、出水池的表面为自由水面，若忽略水面风引起的切应力及与大气层的热交换，则自由面对速度和紊动能均可视为对称平面处理［6］。

3.3 灯泡贯流泵装置的三维造型与网格系统

本文应用Pro/ENGINEER 2001软件完成水泵叶轮及导叶的三维实体造型工作，然后采用GAMBIT软件分别完成进、出水流道及进、出水池的建模工作，最后在GAMBIT软件中对灯泡贯流泵装置的各相邻实体进行拼接，完成整个装置的三维实体造型。

使用GAMBIT软件分别对进水池、进水流道、叶轮室、导叶体、出水流道及出水池等6个部分进行非结构化网格剖分，各部分的网格疏密不等，对叶轮室和导叶体局部加密了网格。

4 灯泡贯流泵装置三维流道数值模拟结果及分析

4.1 前置灯泡贯流泵装置基本流态数值模拟结果及分析

4.1.1 前置灯泡贯流泵装置进水流态分析 H泵站前置灯泡贯流泵装置三维流动数值模拟所得到的进水流态示于图4。限于篇幅，本文仅给出典型断面的流场图和流道表面的流场图。由流场图可以看到：

（1）流道内水流平稳均匀收缩，无脱流或旋涡等不良流态，流道出口处流速分布均匀；

（2）水泵叶轮室进口前的进水管设计成“瓶颈形”，水流调整为接近平行于轴向入泵；

（3）灯泡体段的圆柱形流道改为在平面方向的逐步收缩形后，灯泡体段的流速有所降低；

（4）进人孔尾部形状设计成“水滴形”，该处的局部涡基本消除。

4.1.2 前置灯泡贯流泵装置出水流态分析 H泵站前置灯泡贯流泵装置三维流动数值模拟所得到的出水流态示于图5。限于篇幅，本文仅给出典型断面的流场图和流道表面的流场图。由流场图可以看到：

（1）流道内水流平顺扩散，平缓上翘的流道形线并未恶化流态，反使流态略有改善；

（2）在导叶出口环量的作用下，水流旋转着进入出水流道，受离心力的影响，流道内的水流产生明显的“贴壁效应”，流道近壁区域流速较大，流道中心区域流速较小，整个流道内均无脱流或旋涡流动；

（3）导叶轮毂尾部形状设计成为“水滴形”，在尾部区域的局部涡流被消除。

4.2 后置灯泡贯流泵装置基本流态数值模拟结果及分析

4.2.1 后置灯泡贯流泵装置进水流态分析 H泵站后置灯泡贯流泵装置三维流动数值模拟所得到的进水流态示于图6。限于篇幅，本文仅给出典型断面的流场图和流道表面的流场图。由流场图可以看到：

后置灯泡贯流泵装置的进水流态平顺、均匀收缩，流道出口处流速分布均匀，无不良流态。

4.2.2 后置灯泡贯流泵装置出水流态分析 H泵站后置灯泡贯流泵装置三维流动数值模拟所得到的出水流态示于图7。限于篇幅，本文仅给出部分具有代表意义的断面流场图和表面流场图。由流场图可以看到：

（1）在导叶出口环量的作用下，水流旋转着进入出水流道，受灯泡体的阻挡，水流在灯泡体四周的分布出现偏流；

（2）在灯泡体的尾部区域，由于水流在灯泡体尾部的突然扩散，在灯泡体后部区域产生旋涡，旋涡的位置偏向流道右侧（从进水侧向出水侧看）。

5 前、后置灯泡贯流泵装置水力性能的比较

5.1 基本流态的比较

灯泡贯流水轮机装置的灯泡体一般都设置在进水侧，水轮机机组运行稳定、效率高，已得到大量实际应用的证明。从水流流动的基本属性看，灯泡贯流泵装置的灯泡体设置在进水侧，与灯泡贯流水轮机装置的灯泡体设置在进水侧本质上应是一致的。

（1）在前置灯泡贯流泵装置中，灯泡体设置在进水流道内，水流处于收缩流动状态，可保证水流在绕经进人孔、灯泡体及其支撑的流动过程中不易产生旋涡、脱流等不良流态；同时，由于进水侧的流动是在水泵抽吸作用下形成的重力流，水流未受水泵叶轮及导叶的扰动，流动较为稳定。

（2）在后置灯泡贯流泵装置中，灯泡体设置在出水流道内，水流处于扩散流动状态，在灯泡体尾部区域存在明显的旋涡运动；同时，由于出水侧的流动还显著地受水泵出口环量流动的影响，流道内的偏流现象较严重。

设计了灯泡贯流泵透明流道专用模型试验装置［7］，对贯流泵装置进水流态和出水流态进行的观察结果表明，模型试验的结果与数值模拟的结果基本一致。

5.2 流道水力损失的比较

专门设计的进、出水流道流道水力损失测试结果表明：流道内的流态决定了流道的水力损失。前置灯泡贯流泵装置最优方案进、出水流道内的水流平顺、稳定、均匀、无不良流态，流道水力损失较小，设计流量时的流道水力损失仅为0.226 m，平均扬程时的流道效率达到92.2％；后置灯泡贯流泵装置最优方案进水流道内的水流平顺、稳定、均匀、无不良流态，但出水流道内存在不良流态，流道水力损失相对较大，设计流量时的流道水力损失为0.290 m，平均扬程时的流道效率为90.4％［7］。由此可见，在流道控制尺寸相同的条件下, 前置灯泡贯流泵装置最优方案优于后置灯泡贯流泵装置最优方案。

6 结 论

（1）前置灯泡贯流泵装置的进、出水流态都比较好，水力损失较小；

（2）后置灯泡贯流泵装置的进水流态均匀平顺，但出水流道内存在偏流和难以消除的旋涡流动，水力损失相对较大；

（3）灯泡体前置更为符合水力学的基本原理，可获得更好的基本流态。

参考文献：

［1］ 张仁田.贯流式机组在南水北调工程中的应用研究［J］.排灌机械,2003,21(5):1-6.

［2］ 张仁田.不同型式贯流式水泵特点及在南水北调工程的应用［J］.中国水利,2005,(4):42-44.

［3］ 金忠青.N-S方程的数值解及紊流模型［M］. 南京:河海大学出版社,1988. 11-66.

［4］ 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用［M］. 北京:清华大学出版社,2004.

［5］ 曹树良,许国,吴玉林.水轮机蜗壳和固定导叶内部三维紊流的数值研究［J］.工程热物理学报, 1998,(5):586-589.

［6］ Rodi W．Turbulence Models and Their Application in Hydraulics Experimental and Mathematical Fluid Dynamics［M］. Delft: IAHR Section on Fundamentals of Division Ⅱ,1980.

［7］ 陆林广,吴昌新，纪建中，等.灯泡贯流泵流道模型的水力损失的测试［J］.南水北调与水利科技,2007,5(1):82-84.

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