上级泵站运行配置方式详解

金海支线管系中局部管系的水泵有10台，相应配套出水管道有10根，但是设计工况下运行的只有5根。以母管管径4000mm、倾角90°的几何模型作为研究对象，来研究最佳水泵配置方式。

（1）几何建模及网格生成

母管管径4000mm、倾角90°的几何模型如图7-3所示。

在ICEM CFD网格生成软件中导入几何文件，根据几何特征，采用非结构化四面体网格来离散计算区域，生成的网格模型如图7-4所示。其中，网格数量级为1.1E6。

图7-3 管径4000mm、倾角90°时几何模型

图7-4 管径4000mm、倾角90°时网格模型

（2）湍流模型

仍然采用标准k-ε模型作为湍流模型。

（3）边界条件

设计运行工况下，泵流量9630m3／h的管线，换算成出口速度为1.738m／s；泵流量2972m3／h的管线，换算成出口速度为0.826m／s。进口相对压力设为0Pa，边界无滑移，管壁粗糙度查表为0.3mm。

（4）水泵最佳运行配置方案

选取其中二十四种配置方案进行研究，来确定最终的最佳方案。

图7-5从左到右的出口编号分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，编号1～6跟水泵相连的出口流速由流量换算过来为1.738m／s，编号7～10跟水泵相连的出口流速由流量换算过来为0.826m／s。方案编号的方式以水泵不运行的编号为准。计算得到各方案的能量损失见表7-1。

图7-5 金海泵站研究对象几何图

表7-1 各方案能量损失 （W）

将功率损失换算成水头损失，列于表7-2。

表7-2 各方案水头损失 （m）

从表7-2可知，当5号水泵不运行时，整个系统的损失较大；当5号水泵运行时，水头损失基本一致。最佳方案为编号6＿8，最差方案是编号5＿7。最佳方案和最差方案的水头损失之比为84.5%。

最佳方案和最差方案的内部流态图如图7-6所示。

图7-6 方案6＿8和方案5＿7内部流态图

从图7-6可以看出，a（方案6＿8）的流态比b（方案5＿7）均匀。(www.xing528.com)

由于两根进水管的速度流量差距很大，在母管中心处，也就是靠近编号5出口处，两边的水流相互影响。编号5出口周边母管截面的速度矢量图如图7-7所示。

图7-7 5号出口附近母管截面速度矢量图

由于两边的水流在5号出口附近对冲的影响，此处的母管内部流态较为混乱。当5号出口的水泵运行时，能减少两边水流对冲的影响。当5号水泵不运行时，这一组的水头损失较大的原因。

（5）母管管径和倾角对系统水头损失的影响

为了研究倾角对系统水头损失的影响，在最佳进口配置（方案1、2、5、8、9）的基础上，母管管径4000 mm，选取60°、75°、90°、105°、120°五种不同的角度进行对比分析，以确定单独的角度变化对系统水头损失的影响。Pro／E图和网格图如图7-8～图7-12。

图7-8 60°对系统水头损失的影响

图7-9 75°对系统水头损失的影响

图7-10 90°对系统水头损失的影响

图7-11 105°对系统水头损失的影响

图7-12 120°对系统水头损失的影响

经过计算得到角度变化与水头损失之间的关系曲线如图7-13所示。

图7-13 角度变化与水头损失的关系曲线

为了研究母管管径对系统水头损失的影响，倾角为90°时，在母管管径3200～4800mm中选取10种不同的母管管径进行分析。

母管管径3200mm的几何图和网格图如图7-14所示。

图7-14 母管管径3200mm对系统水头损失的影响

其他组的Pro／E图和网格图与这组类似，只有中间母管的管径稍作改变。

计算得到的母管管径与水头损失的拟合曲线如图7-15所示。

通过以上分析，考虑单一因素的情况下，最佳的倾角是90°，最佳的母管管径是4400mm。

图7-15 母管管径与水头损失