井筒式潜水轴流泵出水管道水力特性数值模拟研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)长江航道规划设计研究院 作者:李文全

  为了解井筒式潜水轴流泵出水管道内部水流运动特点,提升井筒式潜水轴流泵的装置效率,利用FLUENT软件,采用标准κ-ε方程湍流模型和压力修正SIMPLE算法,并结合VOF方法处理出水池气液交界面,对4种进水口流量下的井筒式潜水轴流泵出水管道进行了数值计算,获得了进水口流量的改变对出水管道水力特性的影响规律。

  上海市大中型潜水泵站中86.7%的主水泵为轴流泵,且以立式半调节为主,同时大中型潜水轴流泵站中出水管多为井筒式出水管,其内部流态对泵站装置性能影响较大。然而,上海市大部分大中型井筒式潜水泵站建于20世纪80年代,限于当时的技术水平,水泵设计运行流量存在偏差,这严重影响了水泵的安全、高效运行。因此,对上海市大中型井筒式潜水泵站出水管道内部流场进行分析显得尤为重要。近年来,CFD技术已成为内部流场分析的重要手段之一,该技术通过计算机数值模拟计算,深化了人们对出水管内部流场规律的认识。

  鉴此,本文以上海市污水处理厂井筒式潜水泵站为例,采用FLUENT软件和标准κ-ε方程湍流模型对井筒式潜水轴流泵站出水管道进行了数值模拟分析,总结出井筒式潜水泵站出水管道水力特性受水泵抽水流量(进水口流量)变化的影响规律,以期为上海市正在进行的潜水泵站更新改造提供技术指导。

1、计算模型的建立

  1.1、控制方程

  潜水轴流泵从启动到稳定运行时整个出水管道内部近似为三维定常不可压湍流流动。由Boussrnesq涡粘性假设,得出绝对坐标系下不可压牛顿流体的连续性方程和动量守恒方程分别为:

井筒式潜水轴流泵出水管道水力特性数值模拟研究

  2.4、排气分析

  表3为不同进水口流量下出水管道排气分析。图7为进水口流量与水流稳定运行时间关系曲线。由表3、图7可看出,水流的挟气能力与进水口流量大小呈同步变化。当水泵运行稳定、流量较小时,井筒顶部始终存在空气,随进水口流量增大,井筒顶部残留的空气体积逐渐减少,当流量增大到某一值时出水管空气即可全部排完。

表3 不同进水口流量下出水管道排气分析

不同进水口流量下出水管道排气分析

进水口流量与水流稳定运行时间关系曲线

图7 进水口流量与水流稳定运行时间关系曲线

结语

  a.从进水口断面到出水口断面,水流整体流态较平顺,井筒顶部和水平管下部均存在回流区,回流区范围与进水口流量呈同步变化趋势。当进水口流量较小时,水泵运行达到稳定后,井筒顶部仍残留气泡,随着进水口流量的增大,气泡体积逐渐减少,当增大到一定值时出水管即充满水。井筒顶部左侧附近的回流区面积随进水口流量的增大逐渐变小,而水平管处回流区面积却逐渐变大,同时回流区起始断面逐渐向水平管与井筒的衔接处靠近。

  b.进水口流量的改变对整个出水管道相对总压强沿程分布影响较小,压强沿程分布较平缓,未出现局部负压,整体分布较合理。水平管Ⅲ-Ⅲ断面最大压强基本分布在管道两侧边缘附近、最小压强分布在管道上下侧边缘附近,随着进水口流量的增大,回流区局部变化越来越剧烈,最大压强与最小压强的差值也随之增大。

  c.随着进水口流量的增大,出水管道水力损失也逐渐增大,局部水头损失系数(相对于井筒动能)基本维持在0.85左右。

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