井筒式潛水軸流泵出水管道水力特性數值模擬研究

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

　　上海市大中型潛水泵站中86.7%的主水泵為軸流泵，且以立式半調節為主，同時(shí)大中型潛水軸流泵站中出水管多為井筒式出水管，其內部流態(tài)對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80年代，限于當時(shí)的技術(shù)水平，水泵設計運行流量存在偏差，這嚴重影響了水泵的安全、高效運行。因此，對上海市大中型井筒式潛水泵站出水管道內部流場(chǎng)進(jìn)行分析顯得尤為重要。近年來(lái)，CFD技術(shù)已成為內部流場(chǎng)分析的重要手段之一，該技術(shù)通過(guò)計算機數值模擬計算，深化了人們對出水管內部流場(chǎng)規律的認識。

　　鑒此，本文以上海市污水處理廠(chǎng)井筒式潛水泵站為例，采用FLUENT軟件和標準κ-ε方程湍流模型對井筒式潛水軸流泵站出水管道進(jìn)行了數值模擬分析，總結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。

1、計算模型的建立

　　1.1、控制方程

　　潛水軸流泵從啟動(dòng)到穩定運行時(shí)整個(gè)出水管道內部近似為三維定常不可壓湍流流動(dòng)。由Boussrnesq渦粘性假設，得出絕對坐標系下不可壓牛頓流體的連續性方程和動(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)水口流量與水流穩定運行時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)。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。當水泵運行穩定、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)水口流量與水流穩定運行時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

結語(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，回流區范圍與進(jìn)水口流量呈同步變化趨勢。當進(jìn)水口流量較小時(shí)，水泵運行達到穩定后，井筒頂部仍殘留氣泡，隨著(zhù)進(jìn)水口流量的增大，氣泡體積逐漸減少，當增大到一定值時(shí)出水管即充滿(mǎn)水。井筒頂部左側附近的回流區面積隨進(jìn)水口流量的增大逐漸變小，而水平管處回流區面積卻逐漸變大，同時(shí)回流區起始斷面逐漸向水平管與井筒的銜接處靠近。

　　b.進(jìn)水口流量的改變對整個(gè)出水管道相對總壓強沿程分布影響較小，壓強沿程分布較平緩，未出現局部負壓，整體分布較合理。水平管Ⅲ-Ⅲ斷面最大壓強基本分布在管道兩側邊緣附近、最小壓強分布在管道上下側邊緣附近，隨著(zhù)進(jìn)水口流量的增大，回流區局部變化越來(lái)越劇烈，最大壓強與最小壓強的差值也隨之增大。

　　c.隨著(zhù)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(相對于井筒動(dòng)能)基本維持在0.85左右。