文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

南水北调工程立式轴流泵站三维流动数值模拟与性能预测

成立 1 刘超 1 汤方平 1 周济人 1 张仁田 2
(,江苏扬州 225009;,江苏扬州 210098)

摘要:南水北调工程大多采用立式泵站形式,为深入研究其内部流动和水力性能,运用 FLUENT 软件,采用 RNG 紊流
模型,通过 SIMPLEC 算法,计算了采用钟型进水流道和蜗壳出水流道的新型低扬程立式泵装置定常流动。通过计算预测
了泵装置水力性能,并与模型试验结果进行了比较,研究表明数值预测与实验数据值吻合较好,这表明,三维粘性紊流计
算和性能预测达到了工程应用研究的精度。三维数值分析显示该新型泵装置形式在南水北调工程中有一定的应用前景。
关键词: 南水北调工程轴流泵湍流模型性能预测

0 引言
随着国家南水北调的上马,大量运行时间长、运行可靠性要求高的低扬程泵站的兴建,如何提高泵
站水力性能和改进设计一直是研究者和工程设计人员关注的重大课题[1~4]。水泵装置作为一个整体,其内
部各个部分的水流流态相互作用,影响水泵效率,为改进设计,需对泵装置整体的流动状况有一个全面
的掌握。本文对研制的立式泵装置进行了整体数值模拟,分析了内部流动和水力性能,并通过实验验证
性能预测的准确性。
1 低扬程立式泵装置形式
南水北调东线工程某梯级泵站设计总流量 100m3/s,泵站设计扬程 ,平均扬程 ,最高扬
程 m,最低扬程 m。根据泵站设计参数,初步选择天津同台实验的轴流泵水力模型 TJ04-ZL-22,
原型泵转轮直径 3100mm,转速 125r/min。泵站结构形式见图 1,图 2 为实体造型图。

图 1 立式泵装置结构示意图图 2 泵装置实体造型图
2 计算模型及参数
应用 Gambit 软件进行网格剖分[5],采用对复杂结构适应性强的非结构化四面体网格,将整个流道
划分为节点数为 51 万、单元数为 280 万的计算区域。在计算时应用 RNG 紊流模型,采用 SIMPLEC 算
法,边界条件为流速进口条件和出流出口条件[6]。计算采用参数为:转轮角度为 0 度,叶片数 4 片,导
叶数 7 片,分别计算了泵装置 14 个流量点运行工况。
3 计算结果
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进出水流道内的流动
通过计算得到了泵装置整体流场结果。图 3 为计算得到的最优工况下的泵装置粒子迹线图。由图可
见,泵装置内的流动是三维复杂的流动,钟型进水流道内为较为规则的收缩型流动,靠近隔墩两侧的水
流从进水导水锥的前部进入转轮,而靠近边壁处的水流则绕过导水锥从流道的ω型后壁进入转轮。通过
转轮旋转作功及导叶的回收压能和旋转环量,水流进入曲线型出水结构后,部分水流进入蜗壳的盲端形
成回流区,并绕过曲线型出水结构进入出水流道,部分水流直接进入出水流道。出水流道隔敦两侧的水
流呈现螺旋式出水结构,由计算分析可知,蜗壳盲端的水流进入出水流道表现为由底部向顶部和由边壁
侧向隔墩侧流动的趋势(图中的蓝色迹线),而直接进入流道的水流则表现为与之相反的趋势(图中的红
色迹线),即由顶部向底