基于CFD的泵开启台数对一体化泵站水力特性影响研究

Study on the Influence of the Number of Pump Openings Based on CFD on the Hydraulic Characteristics of Integrated Pumping Station

摘要: 目的：探究一体化泵站在水泵开启台数不同的影响下，对其内部流动特性以及水力性能的影响。方法：在水桶中对称安装三台潜水式水泵，以此为研究对象，在给定流速为的条件下，基于CFD分析水泵开启一台、两台以及三台等参数对一体化泵站流动特性的影响。结果：泵站内部流动均匀，泵入流条件较好，未出现明显的不良流动现象，底部流速较高，不会出现淤积的危险，筒体形状设计满足要求，泵布置合理。建议运行时以2组为备用，1、3组运行，此时筒体内部流动状态达到最佳，可最大程度地提高泵机组的运行效率和稳定性。

Abstract: Purpose: The influence of the integrated pump station on the internal flow characteristics and hy-draulic performance of the different number of pumps was explored. Method: Three submersible pumps were installed symmetrically in the bucket, and the influence of parameters such as one, two and three pumps on the flow characteristics of the integrated pump station was analyzed based on CFD under the condition of given flow rate. Result: The internal flow of the pump station is uniform; the pump inlet flow conditions are good; there is no obvious bad flow phenomenon; the bottom flow rate is high; there will be no risk of siltation; the cylinder shape design meets the requirements; and the pump layout is reasonable. It is recommended to operate with 2 groups as standby and 1 and 3 as the operation, when the internal flow state of the cylinder is optimal, which can maximize the operating efficiency and stability of the pump unit.

1. 引言

随着我国城市化发展，城镇的规模在不断扩大，越来越多的城市污水需要提升和输送，一体化泵站在城市的市政过程中需要得到不停的发展和使用 [1] 。目前在城市中使用居多的仍然是老式的混凝土泵站，但是它具有占地面积过大，建设周期过长，消耗成本过多，建成后维护不方便等缺点 [2] 。而一体化泵站则很好的解决了这个问题，在工厂中可以分批加工之后，现场安装和后续的维护工作都很简便，可以得到广泛的使用。另外，在土地资源紧缺的城市中，同样可以大量使用安装，减少污染。至今为止，国内外已经有很多学者对于一体化泵站内部的复杂流动进行了详细的分析。查智力 [3] 等人通过对于CFD数值模拟计算，得出了一体化泵站的水泵数量和吸水管直径的不匹配容易造成泵站内部的流态紊乱，出现大量漩涡和流速不均匀的现象。谈正强 [4] 对一体化泵站内部的复杂流动模拟分析，提出了大流量和小流量的情况下，泵站的并联和串联使用。王默 [5] 则针对一体化泵站内部的复杂流动，提出了水泵的不同安装位置会对水力性能造成影响，水泵安装过低会导致吸水口附近产生漩涡。成立 [6] 等研究了一体化泵站底部的自清洁功能。目前一体化泵站的研究方向是针对结构影响和多相影响，在不同流量下对单一泵站水力性能的研究很少，即在不同流量下，开启不同台数的水泵以减少成本，研究开启不同台数水泵对泵站内部流态的影响。本研究采用CFD数值模拟研究一体化泵站内部水泵开启台数不同对内部流态的影响，解决不同流量下水泵开启台数的问题。

2. 计算模型与方法

2.1. 物理模型

一体化泵站包含一个采用玻璃钢制造的筒体，筒体尺寸为Φ4200 * H1600 mm，其底部具有只能防淤泥堆积底座设计，内置三台潜水排污泵，单泵流量为650 m³/h，扬程15 m，此外泵站内还包括：控制柜、爬梯、粉碎格栅及压力管道等设备，其结构示意图如图1所示。

Figure 1. Pumping station structure

图1. 泵站结构

2.2. 研究方案

本研究所用水泵为潜水式水泵，叶轮直径120 mm，叶片数为8，叶轮转速n为3600 r/min。在前期规划设计中，设计了最适合排污的泵站底部，本文默认采用统一底部，针对三台水泵在泵站中的不同开启状态研究，即水泵2、3开启，1、3开启，1、2开启，如图2所示。

Figure 2. Three combinations of boot situations

图2. 三种开机情况组合

2.3. 数学模型

2.3.1. 控制方程

流体力学的三大的基本定律分别是质量守恒定律，能量守恒定律以及动量守恒定律 [7] 。采用CFD求解即对这些里离散化的方程求解，得出流体域在各点的压力和速度等流动变量。在此次分析中，泵站内部的流体被看作成不可压缩流体，所以在整体的流动过程中不考虑热量传递，因此不考虑能量守恒定律。因此对于不可压缩流体主要满足质量守恒和动量守恒。

2.3.2. 紊流模型

对于湍流，如果直接求解三位瞬态的控制方程，需要采用直接模拟的方法，但这对计算机的内存和速度要求都很高，很难在实际工程中应用。工程上管饭采用的是对瞬态N-S方程进行时均化，同时补充反应湍流特性的其他方程，组成封闭的方程组再进行求解。

本次分析采用RNG k-ε模型对湍流进行求解，该模型是对瞬时的N-S方程用重整化群的数学方法推导出来的模型，其精度较高，在流线曲率大、有漩涡和旋转的叶轮机械内部流场中更加适用。其k、ε方程如下：

$\frac{D\left(\rho k\right)}{Dt}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k}\right)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+{\tau }_{ij}\frac{\partial {\bar{u}}_i}{\partial x_j}-\rho \epsilon$

$\frac{D\left(\rho \epsilon \right)}{Dt}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[{\alpha }_{\epsilon }\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial x_j}\right]+C_{\epsilon 1}^{*}\frac{\epsilon }{k}{\tau }_{ij}\frac{\partial {\bar{u}}_i}{\partial x_j}-C_{\epsilon 2}\rho \frac{{\epsilon }^2}{k}$

其中 $\rho$ 为流体密度， ${\mu }_t$ 是湍流粘度，定义为：

${\mu }_t=\rho C_{\mu }\frac{k^2}{\epsilon }$

式中：

$C_{\epsilon 1}^{\ast }=C_{\epsilon 1}-\frac{\eta \left(1-\eta /{\eta }_0\right)}{1+\beta {\eta }^3},\eta =\frac{{\left(2E_{ij}\ast E_{ji}\right)}^{0.5}k}{\epsilon },E_{ij}=\frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right),{\eta }_0=4.377$ ,

$\beta =0.012,C_{\mu }=0.0845,{\alpha }_{\epsilon }=1.39,C_{\epsilon 1}=1.42,C_{\epsilon 2}=1.68$

3. 计算模型建立

3.1. 几何模型建立

采用SW对计算模型进行三维几何建模，几何模型部件包括一体化泵站筒体流体域、喇叭管、叶轮、水泵和出水管，如图3所示，对水泵依次编号。

Figure 3. Three-dimensional modeling of the integrated pumping station

图3. 一体泵站三维造型

3.2. 网格划分及无关性验证

泵站内的流体是连续流动的，直接求解泵站内连续流动的流体难度很大，因此，我们在使用CFD对模型进行仿真之前需要借助网格划分将连续 流动的流体离散化，并求解离散化方程组，这样可以大大减少数值计算难度并提高精度。从计算结果的稳定性来说，结构化网格比非结构性网格要好，带来的误差值等各方面都比较小。但是从模型的保行性来说，非结构化网格比结构化网格好得多，能以较小的网格量做出保形效果好的网格。由于泵站内流动区域比较复杂，为了更好的适应性，这次试验采用的是非结构网格。如图4所示，在ANSYS中对水体进行四面体非结构网格划分，并对泵出水管道叶轮区域进行局部加密。

Figure 4. Meshing

图4. 网格划分

理论上，网格的数量会对计算精度和速度造成一定的影响。网格数量增加会提高计算精度，但考虑到计算时间和计算成本，网格数也不宜过多，因此有必要进行网格无关性检查。如表1所示。根据疏密程度划分三套网格方案，比较泵站进出口流动损失(m)，结果表明疏网格方案会导致结果产生一定的偏差，而中密度网格较为合适，与密网格计算偏差为2.7%。综合考虑后，选择第二套网格方案，其网格总数分别为2,245,613。

Table 1. Mesh irrelevance checks

表1. 网格无关性检查

3.3. 参数及边界条件设置

本研究目的是为了探究一体化泵站在不同开启状态下的流态分析。采用软件ANSYS Fluent对一体化泵站内部流动进行CFD分析，根据泵站内部流体流动的特点和对计算结果的收敛性影响，因此将一体化泵站进水口设置成计算模型进口，进口条件采用恒定的速度进口，速度为0.2 m/s，出口设置成自由出流。计算模型分为多个部分，不同的部件之间要设置交界面。对于液体和固体壁面之间的接触，设置成无滑移壁面边界条件，潜水泵叶轮叶片的表面粗糙度设置为0.025 mm，其他壁面粗糙度设置为0.2 mm。

4. 结果与分析

4.1. 不同方案流态分布

如图5所示为泵站在三种不同的开启状态下筒体内部三维流线和速度矢量分布，可以看出水流从进口液面向下运动至泵入口处后均匀进入泵内，泵进口的入流未出现明显的不良现象，泵吸入口附近流速较大，具有很好的抽吸力。对比发现1组备用和3组备用时，筒体内流场呈非对称分布，流动偏向水泵开启的一侧，而2组备用时筒体内流动呈对称分布，泵的入流条件最佳。

Figure 5. Three-dimensional flow inside the cylinder

图5. 筒体内部三维流动

4.2. 筒体内部局部流态

为了进一步研究不同方案下的流动特性，对泵站筒体内部不同位置设置截面，查看其流线和矢量分布，如图6所示，为泵站前后五个不同截面的示意图，并根据结果选取三个代表性截面，从后往前分别是Y1~Y3截面(图7，图8)。

Figure 6. Different cross-sectional positions before and after

图6. 前后不同截面位置

Figure 7. Streamlines of different sections before and after

图7. 前后不同截面流线图

Figure 8. Vector plot of different cross-sectional velocity before and after

图8. 前后不同截面速度矢量图

为探究不同方案下的流动特性，对泵站垂直断面下不同截面分析。从截面Y1可以清楚的看出1组备用和3组备用情况下，泵站存在大量不对称的预旋，水泵吸水口附近流速不均匀，并且从截面Y2可以看出在同一侧开启两台水泵的情况下。容易导致水流向一侧倾斜，导致筒体受力不均匀，减少使用寿命。而在2组水泵备用，开启1、3组水泵的情况下，可以看出水流对称分布在水泵两侧，有利于水泵的运行。

图9为筒体内不同高度截面示意图，同样选取五个不同截面，并根据结果选取三个代表性截面，从下往上依次编号为Z1~Z3，查看截面上流线及矢量分布。

Figure 9. Schematic diagram of different height sections

图9. 不同高度截面示意图

从水平截面图10和图11可以看出，在Z1截面上，1组备用和3组备用的情况下，存在大量不对称的预旋，流动均偏向水泵开启的一侧，减少泵站的使用寿命。而在2组备用的情况下，水泵吸入口附近流速均匀，几乎不存在预旋，可以给叶轮提供良好的入流条件，给机组高效稳定运行提供了保障。水泵入口附近流速较高，具有很强的抽吸了，有利于底部的排污。

Figure 10. Streamline plots of sections at different heights

图10. 不同高度截面流线图

Figure 11. Cross-section velocity vectors at different heights

图11. 不同高度截面速度矢量

综上从图7~11可以看出，在2组水泵备用的情况下，筒体垂直和水平断面的流动都是呈现对称流动，这有利于泵站的长久运行，两台水泵的入流条件也基本相同，有利于水泵机组的高效运行。

6. 讨论与结论

1) 采用ANSYS Fluent技术对一体化泵站内开启不同水泵进行了数值模拟研究，获得了在开启不同水泵时对泵站和水泵吸水流态及水力性能的影响。

2) 三台水泵在泵站内部对称分布，本文研究了在在开启1、2台，1、3台，2、3台水泵的情况下的流态分析，在开启同一侧水泵时，可以发现泵站的水的流动方向偏向于水泵开启的一侧，这对泵站的整体使用寿命造成影响，同样也会造成泵站底部泥沙的堆积。在开启两侧水泵即第二组备用的情况下，泵站内的水体流动基本是对称分布的，并且流速均匀，有利于水泵机组的高效运行。

3) 建议在运行时以第2组为备用，1、3组运行，此时筒体内部的流动状态达到最佳，可最大程度提高泵机组的运行效率和稳定性。

4) 本文研究了一体化泵站水泵开启情况对泵站的影响，后期将对一体化泵站多相流展开研究，进一步探讨有关一体化内部流动特性。

致谢

感谢上海市质量监督检验技术研究院给予的设备支持。