井筒式潛水軸流泵出水管道水力特性數(shù)值模擬研究

　　為了解井筒式潛水軸流泵出水管道內(nèi)部水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提升井筒式潛水軸流泵的裝置效率，利用FLUENT軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程湍流模型和壓力修正SIMPLE算法，并結(jié)合VOF方法處理出水池氣液交界面，對(duì)4種進(jìn)水口流量下的井筒式潛水軸流泵出水管道進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，獲得了進(jìn)水口流量的改變對(duì)出水管道水力特性的影響規(guī)律。

　　上海市大中型潛水泵站中86.7%的主水泵為軸流泵，且以立式半調(diào)節(jié)為主，同時(shí)大中型潛水軸流泵站中出水管多為井筒式出水管，其內(nèi)部流態(tài)對(duì)泵站裝置性能影響較大。然而，上海市大部分大中型井筒式潛水泵站建于20世紀(jì)80年代，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，水泵設(shè)計(jì)運(yùn)行流量存在偏差，這嚴(yán)重影響了水泵的安全、高效運(yùn)行。因此，對(duì)上海市大中型井筒式潛水泵站出水管道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析顯得尤為重要。近年來，CFD技術(shù)已成為內(nèi)部流場(chǎng)分析的重要手段之一，該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算，深化了人們對(duì)出水管內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

　　鑒此，本文以上海市污水處理廠井筒式潛水泵站為例，采用FLUENT軟件和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程湍流模型對(duì)井筒式潛水軸流泵站出水管道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，總結(jié)出井筒式潛水泵站出水管道水力特性受水泵抽水流量(進(jìn)水口流量)變化的影響規(guī)律，以期為上海市正在進(jìn)行的潛水泵站更新改造提供技術(shù)指導(dǎo)。

1、計(jì)算模型的建立

　　1.1、控制方程

　　潛水軸流泵從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)整個(gè)出水管道內(nèi)部近似為三維定常不可壓湍流流動(dòng)。由Boussrnesq渦粘性假設(shè)，得出絕對(duì)坐標(biāo)系下不可壓牛頓流體的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程分別為：

　　2.4、排氣分析

　　表3為不同進(jìn)水口流量下出水管道排氣分析。圖7為進(jìn)水口流量與水流穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線。由表3、圖7可看出，水流的挾氣能力與進(jìn)水口流量大小呈同步變化。當(dāng)水泵運(yùn)行穩(wěn)定、流量較小時(shí)，井筒頂部始終存在空氣，隨進(jìn)水口流量增大，井筒頂部殘留的空氣體積逐漸減少，當(dāng)流量增大到某一值時(shí)出水管空氣即可全部排完。

表3　不同進(jìn)水口流量下出水管道排氣分析

圖7　進(jìn)水口流量與水流穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線

結(jié)語(yǔ)

　　a.從進(jìn)水口斷面到出水口斷面，水流整體流態(tài)較平順，井筒頂部和水平管下部均存在回流區(qū)，回流區(qū)范圍與進(jìn)水口流量呈同步變化趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)水口流量較小時(shí)，水泵運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定后，井筒頂部仍殘留氣泡，隨著進(jìn)水口流量的增大，氣泡體積逐漸減少，當(dāng)增大到一定值時(shí)出水管即充滿水。井筒頂部左側(cè)附近的回流區(qū)面積隨進(jìn)水口流量的增大逐漸變小，而水平管處回流區(qū)面積卻逐漸變大，同時(shí)回流區(qū)起始斷面逐漸向水平管與井筒的銜接處靠近。

　　b.進(jìn)水口流量的改變對(duì)整個(gè)出水管道相對(duì)總壓強(qiáng)沿程分布影響較小，壓強(qiáng)沿程分布較平緩，未出現(xiàn)局部負(fù)壓，整體分布較合理。水平管Ⅲ-Ⅲ斷面最大壓強(qiáng)基本分布在管道兩側(cè)邊緣附近、最小壓強(qiáng)分布在管道上下側(cè)邊緣附近，隨著進(jìn)水口流量的增大，回流區(qū)局部變化越來越劇烈，最大壓強(qiáng)與最小壓強(qiáng)的差值也隨之增大。

　　c.隨著進(jìn)水口流量的增大，出水管道水力損失也逐漸增大，局部水頭損失系數(shù)(相對(duì)于井筒動(dòng)能)基本維持在0.85左右。