泵站出水流道是水泵導(dǎo)葉出口到泵站出水池之間的過渡管道,其作用是調(diào)整高速紊亂的水流，并在低損失下回收動(dòng)能。虹吸式出水流道的虹吸形成過程是水流將儲(chǔ)存在管內(nèi)的氣體排出并充滿水管,在駝峰段形成真空。該過程分為水力驅(qū)氣段、水力挾氣段及形成穩(wěn)定虹吸流段3個(gè)階段1其中水力挾氣階段是虹吸形成過程中最關(guān)鍵的階段,耗時(shí)最長(zhǎng),若水位不滿足要求或流量設(shè)計(jì)過低,該階段時(shí)間將極大延長(zhǎng),甚至無(wú)法形成虹吸，已有研究[23發(fā)現(xiàn),虹吸形成水力挾氣階段氣團(tuán)主要位于駝峰段,并且流道內(nèi)氣團(tuán)大小是影響挾氣時(shí)間的關(guān)鍵因素之一。李海峰等!研究了真空破壞閥在虹吸式出水流道虹吸形成過程中的啟閉狀態(tài)及流量變化;HOUICHIL等對(duì)兩種虹吸流道進(jìn)行了物理試驗(yàn)，確定了其使用范圍;BABAEYAN-KOOPAEIK等對(duì)設(shè)計(jì)工程中的溢洪虹吸流道進(jìn)行了模型優(yōu)化。總體而言,對(duì)高揚(yáng)程泵站虹吸式出水流道的啟停過程研究較少,出水流道內(nèi)水氣變化情況的研究也鮮有涉及。

鑒此,本文基于三維數(shù)值模擬方法對(duì)高揚(yáng)程泵站虹吸式流道機(jī)組啟動(dòng)過程流場(chǎng)變化進(jìn)行研究,得出不同水池水位對(duì)虹吸形成過程中流場(chǎng)的影響，并研究了虹吸形成過程中管內(nèi)水氣兩相變化情況。

模型構(gòu)建

幾何模型

將整體模型分為出水池和流道兩部分。流道由進(jìn)口段、彎管段、上升段、駝峰段、下降段、出口段組成。流道截面為圓形,左下方為人口段,右上方為出水池,流道出口段插入出水池中,有多個(gè)彎管段與上升段。流道總長(zhǎng)度大于400m，水泵揚(yáng)程 112.784 m,單泵設(shè)計(jì)流量 5.6 m'/s,雙泵流量為11.2m/s,出水池3種水位分別為最高水位1005.76 m,設(shè)計(jì)水位1005.05 m,最低水位1 002.52 m,虹吸管頂部管中心高程為1008.07 m。本文主要研究虹吸式出水流道的上升段末端、駝峰段、下降段,以及該區(qū)域入口段、出口段的流場(chǎng)變化情況,在駝峰段頂端加設(shè)真空破壞閥,見圖 1。水泵機(jī)組停機(jī)時(shí),斷流方式為破壞真空,操作簡(jiǎn)單,機(jī)組倒轉(zhuǎn)時(shí)間較短;水泵機(jī)組啟動(dòng)時(shí),可開真空破壞閥降低揚(yáng)程,加快出水流道內(nèi)虹吸的形成。真空閥可以在排出流道內(nèi)空氣后關(guān)閉,確保水全部通過出口段進(jìn)入出水池。

數(shù)學(xué)模型

流體流動(dòng)時(shí)遵循物理守恒定律,包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律,每個(gè)守恒定律都有相應(yīng)的控制方程。本文研究的泵站及其流道在正常運(yùn)行時(shí)流道內(nèi)的水溫不隨時(shí)間的變化而變化,計(jì)算時(shí)忽略熱交換,不需考慮能量守恒方程。質(zhì)量守恒方程也稱連續(xù)性方程式中，

p為微元體上的壓力;、t均為粘性力作用在微元體表面上的分量;F:、F，、F:均為外力作用在流體微元體表面上的分量。采用雷諾時(shí)均模擬方法計(jì)算湍流模型，在Fluent 里使用 k-epsilon 模型。為模擬流道內(nèi)氣液共存現(xiàn)象,計(jì)算時(shí)選用 VOF兩相流模型。

條件設(shè)置

使用 Unigraphics NX 進(jìn)行三維建模,利用Workbench 進(jìn)行整體化計(jì)算,計(jì)算使用 Fuent 模塊,將模型導(dǎo)入模塊后先由mesh 網(wǎng)格劃分,再利用 Fuent 邊界條件設(shè)置，

網(wǎng)格劃分

整體使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法,對(duì)研究段流道進(jìn)行網(wǎng)格加密。比較分析網(wǎng)格數(shù)分別為420X10'450x10480x10510x10540x10個(gè)的方案1~5,以最高水位駝峰段平均流速為參考依據(jù),5種網(wǎng)格數(shù)對(duì)應(yīng)的平均流速分別為1.223、1.293、1.360、1.423、1.464 m/s。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)長(zhǎng),選定網(wǎng)格數(shù)為510x10"個(gè)的方案4作為本文網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量。

邊界條件

計(jì)算模型選擇 VOF 模型。創(chuàng)建 region 以在初始化時(shí)局部劃分空氣與水區(qū)域。真空破壞閥直徑為 DN350。

(1)人口條件。人口段為速度型人口,流道入口流量為泵站出口流量,最大為5.6m'/s,管徑為2.4 m,最大流速為1.24 m/s。泵站機(jī)組啟動(dòng)過程中流量逐漸變化,啟動(dòng)后流量隨時(shí)間增大直至達(dá)到額定值,實(shí)現(xiàn)這一變化需要使用 UDF對(duì)人口設(shè)定函數(shù)。

(2)出口條件。設(shè)兩個(gè)出口,流道末端為壓力出口,將水及部分空氣排出流道、排入出水池;真空閥只排空氣,設(shè)為空氣出口。

(3)計(jì)算設(shè)置。考慮到流道內(nèi)兩相變化,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為 0.003 5s,迭代次數(shù) 20,計(jì)算 300 000步,自動(dòng)保存頻率3000步/次。

2高揚(yáng)程泵站虹吸式出水流道虹吸形成過程分析

駝峰段流場(chǎng)分析

不同水位虹吸形成時(shí)虹吸管駝峰段壓力、流速、流線分布見圖2。平均壓力分別為0.112x10'、-0.118x10'、-1.600x10'Pa(圖 2(a)~(c)),平均流度分別為 1.423、1.506、1.255 m/s(圖2(d)~(f))。不同水位下壓力均勻分布，最小壓力均位于駝峰段,最大壓力均位于人口與出口部分,出水池的水位變化對(duì)最大壓力值的影響相對(duì)較小,主要影響最小壓力值。與最低水位相比,最高、設(shè)計(jì)水位流速分布更加均勻,可見出水池水位較低會(huì)使虹吸段流速分布不均;水位較高對(duì)虹吸管整體流速分布影響較小。

斷面流場(chǎng)分析

對(duì)駝峰段中部經(jīng)典斷面(圖1)的流場(chǎng)分布進(jìn)行分析,該斷面既是整個(gè)出水流道最高點(diǎn)，也在真空閥正下方。

不同水位虹吸形成時(shí)斷面壓力、流速分布見圖3。平均壓力分別為一0.717x10'-1.116x10'、-3.008x10'Pa(圖3(a)~(c)),平均流速分別為 2.107、2.355、2.008 m/s(圖 3(d)~(f))由圖 3(a)~(c)可知,該斷面壓力由上至下逐漸增大,壓力基本呈均勻分布,分層明顯,在靠近真空閥處局部壓力不均。由圖3(d)~(f)可知,該斷面流速受真空閥影響極大,在真空閥下方形成了與其他區(qū)域明顯不同的高流速區(qū),可以推測(cè)真空閥能在本文工況下水力挾氣階段排出大量氣體,對(duì)機(jī)組啟動(dòng)、虹吸形成過程起到明顯的促進(jìn)作用。并且隨著出水池水位的降低，真空閥造成的高速區(qū)范圍增大,導(dǎo)致該區(qū)域流速分布不均。

優(yōu)化方案

優(yōu)化計(jì)算均在出水池最高水位工況下進(jìn)行，改變駝峰段底部前后角度,前為角度1，度數(shù)為150°;后為角度2,度數(shù)為160(圖1)。角度2增加 10°為方案 1;角度 1增加 10°為方案 2。

不同方案虹吸形成時(shí)虹吸管駝峰段壓力、流速、流線分布見圖4。平均壓力分別為0.703x10'、0.703x10'、0.704x10'Pa(圖4(a)~(c)),平均流速分別為 1.429、1.431、1.429 m/s(圖4(d)~(f))。由圖4可知,3種方案下,虹吸流道流線均順暢,無(wú)明顯漩渦,流場(chǎng)分布沒有明顯差別。由此可見,虹吸段角度改變,僅對(duì)虹吸管道流場(chǎng)壓力、速度的值帶來(lái)微小影響。

不同方案虹吸形成時(shí)斷面壓力、流速分布見圖5。平均壓力分別為-7.244x10-7.289x10:-7.230x10'Pa,平均流速分別為 1.595,1.588、1.603 m/s。優(yōu)化前方案 1、2 的壓力、流速分布一致,平均壓力和平均流速的數(shù)值大小為方案2>優(yōu)化前>方案1。在分布上頂部真空破壞閥區(qū)域的壓力值有明顯區(qū)別，優(yōu)化前與方案2最小壓力區(qū)相似,方案1最小壓力區(qū)與二者不同;方案2與優(yōu)化前最值速度區(qū)相似,均與方案1最值速度區(qū)略微不同。

氣液兩相流分析

出水池最高水位泵站機(jī)組啟動(dòng)過程虹吸管氣液兩相流變化見圖6,該工況虹吸形成時(shí)間為504如圖6所示,0s時(shí)啟動(dòng)過程開始,管內(nèi)兩相流分布;42s時(shí)流道內(nèi)空氣已大量減少,原因?yàn)閱?dòng)過程開始后先進(jìn)行水力驅(qū)氣階段,特點(diǎn)是時(shí)間短，排氣多。42s后進(jìn)入水力挾氣階段,真空閥開啟。水流翻過駝峰段,管內(nèi)空氣被持續(xù)壓縮,管內(nèi)壓力持續(xù)上升,管內(nèi)空氣多被真空閥排出,下降段水體逐漸變得穩(wěn)定,該階段約持續(xù)430s。此后,絕大多數(shù)空氣已排出,管內(nèi)氣體以氣團(tuán)形式存在,真空閥關(guān)閉,剩余空氣只通過水流挾氣作用排出,排氣速度減緩直至排盡。水力挾氣階段總耗時(shí)約460s,最終流道內(nèi)空氣被全部排出。水力挾氣階段后進(jìn)入虹吸穩(wěn)定階段,管內(nèi)只剩水。啟動(dòng)過程結(jié)束，管內(nèi)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)流動(dòng)。

高水位啟動(dòng)過程虹吸管氣體含量隨時(shí)間變化見圖7。將0s時(shí)氣體含量設(shè)為100%進(jìn)行數(shù)值比較,可以看出,0~42s為水力驅(qū)氣階段,管內(nèi)氣體大量減少;之后進(jìn)入水力挾氣階段,剩余空氣排出速度變慢,最終在504s全部排出優(yōu)化前和方案1、2最高水位虹吸形成時(shí)間分別為 504、518、448s,水力驅(qū)氣、水力挾氣階段持續(xù)時(shí)間基本按比例變化。虹吸形成所需時(shí)間為方案 1>優(yōu)化前>方案2。因此,角度1增加10°的方案可有效縮短虹吸形成時(shí)間。

結(jié)論

a.虹吸基本形成時(shí),虹吸管段壓力均勻分布，最小壓力均位于駝峰段,最大壓力均位于人口、出口,出水池的水位變化對(duì)最大壓力值影響相對(duì)較小,主要影響最小壓力值。最低水位時(shí),虹吸管下降段水流分布相對(duì)雜亂。

b.真空閥在機(jī)組啟動(dòng)、虹吸形成過程中水力挾氣階段排出大量氣體。在駝峰斷面處流速受真空閥影響大,在真空閥下方形成了高流速區(qū)。隨出水池水位減小,高速區(qū)范圍增大,使該區(qū)域流速分布更不均勻

c.對(duì)駝峰段角度進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化前、方案1、方案2對(duì)流場(chǎng)分布影響不大，主要影響虹吸形成時(shí)間。3種方案虹吸形成時(shí)間分別為504、518、448s,駝峰段前角度增加10,,可有效縮短虹吸形成時(shí)間。