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封闭式吸水罐的内部流动水力学特性分析论文
1引言
封闭式吸水罐指的是装置在泵前，水泵吸水管路直接从中取水的有压容器，起着前池、进水池的作用，而非传统用于水泵启动的吸水罐[1,2].
相比于开敞式水池，封闭式吸水罐适用于水位变幅较大的泵站，可充分利用站前水头，提高整体供水效率。但目前对于泵站工程内部流场的研究大多集中于开敞式水池[3,4]或进出水流道[5,6]中，而很少分析封闭式吸水罐内部的流态，因而不了解采用封闭式吸水罐装置的泵站的内流场特性，如不同开机台数对泵站内流场的影响及不同水泵机组之间的差异等，导致在吸水罐的设计方面缺乏指导性的参照。因此，本文以四川省四平泵站为例，分析了封闭式吸水罐的内部流动特性，旨在为类似泵站设计与运行提供参考依据。
2计算方法与边界条件
2.1控制方程和算法
泵站内的流动不考虑密度变化，属不可压缩湍流流动，其计算模型的建立主要依据瞬态连续方程和N-S方程。在泵站主流区，流动一般处于高雷诺数湍流状态，且由于泵站尺度较大，在前池、进水池的流动变化较大，往往会有较大尺度的回流与边壁脱流，故采用两方程κ-ε模型中的RNGκ-ε进行求解计算[7].计算时，离散格式对流项采用二阶迎风模式，扩散项和源项采用中心差分离散模式，数值求解方法采用SIMPLEC算法[8].
2.2计算模型与网格划分
四平泵站为一高扬程泵站，其设计流量为8.7m3/s,站前设计水位225.34m,最低水位224.74m,最高水位246.84m.安装四台水泵（三工一备），单泵流量2.95m3/s,扬程为36.5m.本次计算范围包括吸水罐前长为12m的引水钢管、吸水罐、吸水罐出口到泵前的吸水管，见图1.
该高扬程站采用截面为圆形，直径为6m,长为36m的圆柱形吸水罐。网格划分均用Gambit划分四面体网格，网格局部单元最大尺寸400mm,最小尺寸100mm,增长率1.5,网格单元总数98×104,网格节点总数19×104.经网格无关性检查，当网格单元总数在100×104左右，网格节点总数在20×104左右时可以满足网格无关性的要求。
2.3边界条件引水钢管进口采用质量流量进口边界条件，异径管末端出口设置压力出口[9].各壁面均采用标准壁面函数法，由于引水钢管、吸水罐和吸水管均为钢管，粗糙度较小，因此在设置边界条件时设置较小的粗糙度[10].边界条件示意图见图2.
3不同机组运行的水力损失和流态对比
3.1不同机组运行的水力损失对比
为系统地分析吸水罐不同机组的流动特性，本文研究了不同机组台数对于水泵机组运行的影响，即分别分析了一台泵、两台泵和三台泵运行时的运行特性。由于该吸水罐模型可近似视为左右对称结构。一台泵运行时有两种情况（边机组#1和中间机组#2），两台泵同时运行时共有四种情况；三台泵运行时有两种情况，本文仅分析其中一种即边机组#1和中间机组#2、#3）。
通过CFD可得表1中六种工况的水力性能，结果见表2.表2中，h1、h2分别表示从吸水罐进口到出口、吸水罐出口到水泵进口的水力损失，h为整个计算域的水力损失。
由表2可看出，三台泵同时运行时的水力损失最大，一台泵边机组#1运行时的水力损失最小。两台泵同时运行时，中间机组#2、#3运行时水力损失最大，边机组#1、#4同时运行时水力损失最小。因此，从水力损失角度方面分析，中间机组运行时的水力损失比边机组运行时的大。这可能是因为边机组的流态要比中间机组的流态稳定。为了进一步对比中间机组与边机组的差异，从内部流场来进行对比分析。
3.2不同机组运行的流态对比
3.2.1单泵运行图3、4分别为单泵纵剖面（y=0）流线图和多截面流线图。由图3、4可看出，单泵运行时，边机组#1运行时，吸水罐内的流态较好，无正对着吸水喇叭口的漩涡，且吸水管内的流线较中间机组#2运行时的光顺。这是因为当水流由引水钢管引入吸水罐时，水流会对吸水罐壁产生冲击，距离进口较近的机组，由于距离较短，水流尚未调整过来从而导致其流态较为恶劣。而距离进口较远的边机组，水流调整较好因而流态较好。故单泵运行情况下，边机组运行要比中间机组运行的流态好。
3.2.2两泵运行图5、6分别为两泵纵剖面（y=0）流线图和多截面流线图。由图5、6可看出，两泵同时运行时，工况D6000-2-D的流态最好。其中边机组吸水喇叭管下方的吸水罐局部区域均无漩涡，而中间机组无论是#2还是#3在吸水喇叭管下方均存在较大尺度的漩涡，这些漩涡会较大程度地影响水泵的吸水性能，不利于水泵高效稳定运行。
3.2.3三泵运行
图7为三泵流线图。由图7可看出，由于流量、速度的增加以及水泵机组之间干扰的加剧，边机组和中间机组的差异性更加明显。中间机组#2、#3吸水喇叭管下方存在大尺度的漩涡，而边机组#1则流态较好。
4结论
通过对四平高扬程站机组流动特性的分析，发现装备封闭式吸水罐泵站的水力学特性与开敞式水池的泵站存在较大差异，数值模拟结果与实际运行情况相似，从而对该类型泵站的运行提出在单泵运行情况下，尽量以边机组运行，以保证水泵能够高效稳定地工作；多台泵运行情况下，优先选择边机组的组合进行工作，具体实际操作以生产工作中具体要求而定。
参考文献：
[1] 唐再生.吸水罐设计[J].工程设计与研究，1997（98）:48-50.
[2] 段景良.离心泵吸水管上加装负压吸水罐的分析[J].山西焦煤科技，2007（2）:17-19.
[3] 成立，刘超，周济人，等.泵站开敞式进水池几何参数的数值模拟[J].农业机械学报，2009,40（1）:50-55.
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