分析背景

一體化預制泵站是替代傳統(tǒng)排水泵站的理想解決方案，屬于集成式一體化泵站。一體化預制泵站為交鑰匙工程,泵站的筒體采用加厚型機械纏繞玻璃鋼材質制成。一體化預制泵站以強大的流體提升和輸送能力，在城市水循環(huán)系統(tǒng)和正在興起的海綿城市工程中得到了廣泛應用"。一體化預制泵站避免了傳統(tǒng)泵站存在的一些缺點，并能為清水和污水提供足夠的勢能和壓能,因此具有很高的工程應用和研究價值。作為一個復雜的流體動力系統(tǒng)，一體化預制泵站泵內(nèi)不良流動會導致泵產(chǎn)生振動、氣蝕、噪聲,并且降低泵的能量性能。當一體化預制泵站應用于提升污水時，內(nèi)部的介質為兩相甚至更多相流動，在筒體底部可能出現(xiàn)沉積現(xiàn)象中-4。若雜質進入輸送泵,則泵可能造成泵過流部件磨損。若泵流道設計不合理或泵運行參數(shù)不在理想范圍內(nèi),則泵流道內(nèi)可能發(fā)生阻塞,嚴重威脅整個泵站的穩(wěn)定性。通常采用數(shù)值模擬方法對一體化預制泵站內(nèi)部流場進行計算流體動力學分析，從而判別筒體底部形狀設計的優(yōu)劣。

針對一體化預制泵站筒體內(nèi)部有污泥沉積，且在長期沉淀后導致硫化氫等有害氣體聚集，進而威脅到下井維護人員的人身安全問題,筆者對一體化預制泵站進行流體動力學仿真分析，研究在污水泵提升污水時運行流態(tài)是否穩(wěn)定均勻，有無湍流或旋渦沉淀現(xiàn)象，從而盡可能避免中毒事件發(fā)生，同時也為企業(yè)提供筒體的設計參考。筆者以廣東某公司提供的LY-GRP一體化預制泵站為例,基于 ANSYS 軟件對一體化預制泵站進行流體仿真分析。該一體化預制泵站筒體直徑為3 500 mm,高為9300 mm,結構如圖1所示。

2 理論分析

一體化預制泵站內(nèi)部的流態(tài)優(yōu)劣取決于污水泵進水口的入流條件。在污水泵提升污水時，應用計算流體動力學方法分析一體化預制泵站筒體內(nèi)部的流場，以此來觀察泵站的運行流態(tài)。筆者采用國際上運用廣泛的 ANSYS 有限元分析軟件,對一體化預制泵站進行計算流體動力學仿真分析，過程主要包括三維造型、網(wǎng)格劃分、前處理、流場求解、后處理五個階段!。計算流體動力學仿真分析流程如圖2所示。

泵站內(nèi)流體的流動遵循質量守恒、能量守恒、動量守恒定律，這些定律可以用相應的控制方程進行描述，筆者分析的泵站，內(nèi)部流體流動為三維不可壓縮湍流流動。對于湍流，在工程上廣泛采用的方法是對瞬態(tài)納維-斯托克斯方程進行時均化，同時補充其它方程來反映湍流特性，組成封閉方程組后再進行求解“-1分析時,采用 RNG 4-ε模型對湍流進行求解，這是對瞬態(tài)納維-斯托克斯方程進行重整化群數(shù)學方法推導出來的模型,精度較高,在流線曲率大、有旋渦及旋轉R-10的葉輪機械內(nèi)部流場中更加適用。

仿真分析

采用 SolidWorks 三維軟件對一體化預制泵站過流區(qū)域進行三維模型建造,三維模型如圖3所示。

一體化預制泵站內(nèi)的流體為連續(xù)流動的流體，直接求解泵站內(nèi)連續(xù)流動的流體難度很大。因此，在使用計算流體動力學軟件對模型進行仿真之前，需要借助網(wǎng)格劃分將連續(xù)流動的流體離散化，并求解離散化方程組，這樣可以大大降低數(shù)值計算難度，并提高求解精度。在 ANSYS 軟件中對整個流體進行四面體非結構網(wǎng)格劃分,如圖4所示，并對泵出水管道葉輪區(qū)域進行局部加密，

采用 ANSYS CFX 流體分析及仿真軟件對一體化預制泵站內(nèi)部流動進行計算流體動力學仿真分析。根據(jù)泵站內(nèi)部流體流動的特點和對計算結果收斂性的預期,將泵站進口流速設置為恒定速度,將出口流速設置為自由流出，葉輪與靜止部件間的交界面設置為轉子凍結,其余固體壁面均設置為光滑無滑移壁面條件，同時開啟兩臺水泵進行計算流體動力學仿真分析，觀察流場分布。水泵啟動時的計算域如圖 5 所示。

筒體內(nèi)部三維流場分布如圖6所示。通過泵站在啟動狀態(tài)下筒體內(nèi)部三維流線及速度矢量分布，可以看出水流從泵站進口流入后,均勻流向水泵兩側，水泵吸入口的入流未出現(xiàn)明顯湍流現(xiàn)象，水泵吸入口附近流速較大，具備較強的抽吸力。

為了更仔細地觀察筒體底部流場，分別在筒體內(nèi)部前后不同位置設置截面，查看流線和矢量分布。前后不同位置截面如圖7所示，從前往后依次為Y1~Y4截面。前后不同截面流線圖如圖8所示，速度矢量分布如圖9所示。

筒體內(nèi)不同高度截面如圖10 所示,從下往上依次為 Z1~Z4 截面。查看不同高度截面上的流線及矢量分布，不同高度截面流線圖如圖 11所示,不同高度截面速度矢量分布如圖 12 所示: