一体化预制泵站的流体分析

分析背景

一体化预制泵站是替代传统排水泵站的理想解决方案，属于集成式一体化泵站。一体化预制泵站为交钥匙工程,泵站的筒体采用加厚型机械缠绕玻璃钢材质制成。一体化预制泵站以强大的流体提升和输送能力，在城市水循环系统和正在兴起的海绵城市工程中得到了广泛应用"。一体化预制泵站避免了传统泵站存在的一些缺点，并能为清水和污水提供足够的势能和压能,因此具有很高的工程应用和研究价值。作为一个复杂的流体动力系统，一体化预制泵站泵内不良流动会导致泵产生振动、气蚀、噪声,并且降低泵的能量性能。当一体化预制泵站应用于提升污水时，内部的介质为两相甚至更多相流动，在筒体底部可能出现沉积现象中-4。若杂质进入输送泵,则泵可能造成泵过流部件磨损。若泵流道设计不合理或泵运行参数不在理想范围内,则泵流道内可能发生阻塞,严重威胁整个泵站的稳定性。通常采用数值模拟方法对一体化预制泵站内部流场进行计算流体动力学分析，从而判别筒体底部形状设计的优劣。

针对一体化预制泵站筒体内部有污泥沉积，且在长期沉淀后导致硫化氢等有害气体聚集，进而威胁到下井维护人员的人身安全问题,笔者对一体化预制泵站进行流体动力学仿真分析，研究在污水泵提升污水时运行流态是否稳定均匀，有无湍流或旋涡沉淀现象，从而尽可能避免中毒事件发生，同时也为企业提供筒体的设计参考。笔者以广东某公司提供的LY-GRP一体化预制泵站为例,基于 ANSYS 软件对一体化预制泵站进行流体仿真分析。该一体化预制泵站筒体直径为3 500 mm,高为9300 mm,结构如图1所示。

2 理论分析

一体化预制泵站内部的流态优劣取决于污水泵进水口的入流条件。在污水泵提升污水时，应用计算流体动力学方法分析一体化预制泵站筒体内部的流场，以此来观察泵站的运行流态。笔者采用国际上运用广泛的 ANSYS 有限元分析软件,对一体化预制泵站进行计算流体动力学仿真分析，过程主要包括三维造型、网格划分、前处理、流场求解、后处理五个阶段!。计算流体动力学仿真分析流程如图2所示。

泵站内流体的流动遵循质量守恒、能量守恒、动量守恒定律，这些定律可以用相应的控制方程进行描述，笔者分析的泵站，内部流体流动为三维不可压缩湍流流动。对于湍流，在工程上广泛采用的方法是对瞬态纳维-斯托克斯方程进行时均化，同时补充其它方程来反映湍流特性，组成封闭方程组后再进行求解“-1分析时,采用 RNG 4-ε模型对湍流进行求解，这是对瞬态纳维-斯托克斯方程进行重整化群数学方法推导出来的模型,精度较高,在流线曲率大、有旋涡及旋转R-10的叶轮机械内部流场中更加适用。

仿真分析

采用 SolidWorks 三维软件对一体化预制泵站过流区域进行三维模型建造,三维模型如图3所示。

一体化预制泵站内的流体为连续流动的流体，直接求解泵站内连续流动的流体难度很大。因此，在使用计算流体动力学软件对模型进行仿真之前，需要借助网格划分将连续流动的流体离散化，并求解离散化方程组，这样可以大大降低数值计算难度，并提高求解精度。在 ANSYS 软件中对整个流体进行四面体非结构网格划分,如图4所示，并对泵出水管道叶轮区域进行局部加密，

采用 ANSYS CFX 流体分析及仿真软件对一体化预制泵站内部流动进行计算流体动力学仿真分析。根据泵站内部流体流动的特点和对计算结果收敛性的预期,将泵站进口流速设置为恒定速度,将出口流速设置为自由流出，叶轮与静止部件间的交界面设置为转子冻结,其余固体壁面均设置为光滑无滑移壁面条件，同时开启两台水泵进行计算流体动力学仿真分析，观察流场分布。水泵启动时的计算域如图 5 所示。

筒体内部三维流场分布如图6所示。通过泵站在启动状态下筒体内部三维流线及速度矢量分布，可以看出水流从泵站进口流入后,均匀流向水泵两侧，水泵吸入口的入流未出现明显湍流现象，水泵吸入口附近流速较大，具备较强的抽吸力。

为了更仔细地观察筒体底部流场，分别在筒体内部前后不同位置设置截面，查看流线和矢量分布。前后不同位置截面如图7所示，从前往后依次为Y1~Y4截面。前后不同截面流线图如图8所示，速度矢量分布如图9所示。

筒体内不同高度截面如图10 所示,从下往上依次为 Z1~Z4 截面。查看不同高度截面上的流线及矢量分布，不同高度截面流线图如图 11所示,不同高度截面速度矢量分布如图 12 所示: