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封閉式吸水罐的內部流動水力學特性分析論文
1引言
封閉式吸水罐指的是裝置在泵前，水泵吸水管路直接從中取水的有壓容器，起著前池、進水池的作用，而非傳統用于水泵啟動的吸水罐[1,2].
相比于開敞式水池，封閉式吸水罐適用于水位變幅較大的泵站，可充分利用站前水頭，提高整體供水效率。但目前對于泵站工程內部流場的研究大多集中于開敞式水池[3,4]或進出水流道[5,6]中，而很少分析封閉式吸水罐內部的流態，因而不了解采用封閉式吸水罐裝置的泵站的內流場特性，如不同開機臺數對泵站內流場的影響及不同水泵機組之間的差異等，導致在吸水罐的設計方面缺乏指導性的參照。因此，本文以四川省四平泵站為例，分析了封閉式吸水罐的內部流動特性，旨在為類似泵站設計與運行提供參考依據。
2計算方法與邊界條件
2.1控制方程和算法
泵站內的流動不考慮密度變化，屬不可壓縮湍流流動，其計算模型的建立主要依據瞬態連續方程和N-S方程。在泵站主流區，流動一般處于高雷諾數湍流狀態，且由于泵站尺度較大，在前池、進水池的流動變化較大，往往會有較大尺度的回流與邊壁脫流，故采用兩方程κ-ε模型中的RNGκ-ε進行求解計算[7].計算時，離散格式對流項采用二階迎風模式，擴散項和源項采用中心差分離散模式，數值求解方法采用SIMPLEC算法[8].
2.2計算模型與網格劃分
四平泵站為一高揚程泵站，其設計流量為8.7m3/s,站前設計水位225.34m,最低水位224.74m,最高水位246.84m.安裝四臺水泵（三工一備），單泵流量2.95m3/s,揚程為36.5m.本次計算范圍包括吸水罐前長為12m的引水鋼管、吸水罐、吸水罐出口到泵前的吸水管，見圖1.
該高揚程站采用截面為圓形，直徑為6m,長為36m的圓柱形吸水罐。網格劃分均用Gambit劃分四面體網格，網格局部單元最大尺寸400mm,最小尺寸100mm,增長率1.5,網格單元總數98×104,網格節點總數19×104.經網格無關性檢查，當網格單元總數在100×104左右，網格節點總數在20×104左右時可以滿足網格無關性的要求。
2.3邊界條件引水鋼管進口采用質量流量進口邊界條件，異徑管末端出口設置壓力出口[9].各壁面均采用標準壁面函數法，由于引水鋼管、吸水罐和吸水管均為鋼管，粗糙度較小，因此在設置邊界條件時設置較小的粗糙度[10].邊界條件示意圖見圖2.
3不同機組運行的水力損失和流態對比
3.1不同機組運行的水力損失對比
為系統地分析吸水罐不同機組的流動特性，本文研究了不同機組臺數對于水泵機組運行的影響，即分別分析了一臺泵、兩臺泵和三臺泵運行時的運行特性。由于該吸水罐模型可近似視為左右對稱結構。一臺泵運行時有兩種情況（邊機組#1和中間機組#2），兩臺泵同時運行時共有四種情況；三臺泵運行時有兩種情況，本文僅分析其中一種即邊機組#1和中間機組#2、#3）。
通過CFD可得表1中六種工況的水力性能，結果見表2.表2中，h1、h2分別表示從吸水罐進口到出口、吸水罐出口到水泵進口的水力損失，h為整個計算域的水力損失。
由表2可看出，三臺泵同時運行時的水力損失最大，一臺泵邊機組#1運行時的水力損失最小。兩臺泵同時運行時，中間機組#2、#3運行時水力損失最大，邊機組#1、#4同時運行時水力損失最小。因此，從水力損失角度方面分析，中間機組運行時的水力損失比邊機組運行時的大。這可能是因為邊機組的流態要比中間機組的流態穩定。為了進一步對比中間機組與邊機組的差異，從內部流場來進行對比分析。
3.2不同機組運行的流態對比
3.2.1單泵運行圖3、4分別為單泵縱剖面（y=0）流線圖和多截面流線圖。由圖3、4可看出，單泵運行時，邊機組#1運行時，吸水罐內的流態較好，無正對著吸水喇叭口的漩渦，且吸水管內的流線較中間機組#2運行時的光順。這是因為當水流由引水鋼管引入吸水罐時，水流會對吸水罐壁產生沖擊，距離進口較近的機組，由于距離較短，水流尚未調整過來從而導致其流態較為惡劣。而距離進口較遠的邊機組，水流調整較好因而流態較好。故單泵運行情況下，邊機組運行要比中間機組運行的流態好。
3.2.2兩泵運行圖5、6分別為兩泵縱剖面（y=0）流線圖和多截面流線圖。由圖5、6可看出，兩泵同時運行時，工況D6000-2-D的流態最好。其中邊機組吸水喇叭管下方的吸水罐局部區域均無漩渦，而中間機組無論是#2還是#3在吸水喇叭管下方均存在較大尺度的漩渦，這些漩渦會較大程度地影響水泵的吸水性能，不利于水泵高效穩定運行。
3.2.3三泵運行
圖7為三泵流線圖。由圖7可看出，由于流量、速度的增加以及水泵機組之間干擾的加劇，邊機組和中間機組的差異性更加明顯。中間機組#2、#3吸水喇叭管下方存在大尺度的漩渦，而邊機組#1則流態較好。
4結論
通過對四平高揚程站機組流動特性的分析，發現裝備封閉式吸水罐泵站的水力學特性與開敞式水池的泵站存在較大差異，數值模擬結果與實際運行情況相似，從而對該類型泵站的運行提出在單泵運行情況下，盡量以邊機組運行，以保證水泵能夠高效穩定地工作；多臺泵運行情況下，優先選擇邊機組的組合進行工作，具體實際操作以生產工作中具體要求而定。
參考文獻：
[1] 唐再生.吸水罐設計[J].工程設計與研究，1997（98）:48-50.
[2] 段景良.離心泵吸水管上加裝負壓吸水罐的分析[J].山西焦煤科技，2007（2）:17-19.
[3] 成立，劉超，周濟人，等.泵站開敞式進水池幾何參數的數值模擬[J].農業機械學報，2009,40（1）:50-55.
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