基于CFD数值模拟泵站多机组运行性能分析
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推动态规划法对多机组运行进行优化, 优化后机组单
位时间内降低了 18. 6% 的能耗。 常鹏程 [14] 对翟山大
沟泵站工程多机组运行时侧向进水前池进行数值模
拟, 发现无整流措施的情况下 3 台机组的进水池内部
均存在大范围的漩涡, 并对多机组运行进行了优化,
运行效率得到改进。 Zessler [15] 等运用动态规划法对多
asymmetric distribution, and the uniformity of inlet velocity under large flow condition is significantly
improved. There is large-scale backflow in the outlet pipe of the pump under large flow conditions,
(2)
∂t
ρ 为流体密度, kg / m3 ; u i 、 u j 为流体在 i、
j 方向上的速度分量, m / s; p 为时均压力, kPa; μ 为
流体的运动黏性系数; x i 、 x j 为空间坐标分量, m; t
为时间, s。
1. 2. 2 湍流模型
存在大尺度的回流, 额定流量工况只有少数机组出水管内存在大尺度回流。 三台机组同时运行时机组的扬程
小于两台机组运行时的扬程, 说明开机数量越多, 不同机组之间的水流流动相互干扰越大, 相比于两台机组
开机运行时, 三台机组运行时机组的水力性能会降低。 本文研究结果为泵站多机组并行运行时的运行控制提
供理论指导, 具有重要的学术意义和工程价值。
analyzed. The research results show that when the multi-unit operates in parallel, the inlet velocity
distribution of different units is not different, the inlet velocity under rated flow condition presents
2023. №4
速 n = 490r / min, 叶片数 zb = 16, 叶轮直径 D = 1275mm。
1. 2 数学模型
1. 2. 1 控制方程
流体力学的三大基本定律是质量守恒定律、 能量
守恒定律和动量守恒定律。 通常情况下, 水泵内流体
可以看作为不可压缩流体, 流动介质为常温液态水,
在整体流动的过程中未考虑热量传递, 故忽略能量守
Yinchuan 751400, China;
2. State Key Laboratory of Hydroscience and Hydraulic Engineering( Tsinghua University) ,
Beijing 100084, China;
3. Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
k 方程:
μ t ∂k
∂( ρk) ∂( ρku i ) ∂
+
=
μ+
∂t
∂x i
∂x j
σ k ∂x j
[(
) ]
∂u ∂u ∂u
+μ (
- ρε
+
∂x ∂x ) ∂x
t
ε 方程:
∂( ρε) ∂( ρε u i ) ∂
+
=
∂t
∂x i
∂x j
i
j
i
j
i
j
[ ( μ + σμ )∂x∂ε ]
(3)
t
[ 关键词] 泵站; 多机组运行; 流动稳定性; 流速分布; 数值模拟
[ 中图分类号] TK734 [ 文献标志码] A [ 文章编号] 1000-3983(2023)04-0047-07
Analysis of Multi-unit Operation Performance of Pumping Station based
Abstract:In this paper, the multi-unit operation performance of Huangsha gudu pumping station in
Yinchuan, Ningxia is numerically simulated, and the unit performance under different unit numbers is
49
大 电 机 技 术
1. 3 计算模型三维建模
为探究不同机组数并联运行性能, 分别分析 2 台
机组和 3 台机组同时运行时机组的运行性能。 在 UG
中建立 2 台机组运行和 3 台机组运行的三维几何模
型, 如图 1 和图 2 所示。 利用 Workbench 对计算模型
进行网格划分, 选用非结构化网格和结构化网格混合
units, indicating that the more the number of units is started, the greater the mutual interference of
water flow between different units. Compared with the two units, the hydraulic performance of the
3. 清华大学能源与动力工程系, 北京 100084)
[摘 要] 本文对宁夏银川黄沙古渡泵站多机组运行时的机组性能进行数值模拟, 分析了不同机组数运行
下的机组性能, 研究结果表明: 在多机组并行运行时, 不同机组进口流速分布差别不大, 额定流量工况下进
口速度呈现非对称分布, 大流量工况下进口流速均匀度明显提高, 近似对称分布。 大流量工况水泵出水管均
剖分, 考虑计算资源, 以水泵现场实测结果为依据,
首先采用单机组计算结果进行网格无关性检查, 如
on CFD Numerical Prediction
QI Dunzhe , SONG Xijie , SHEN Yubin1 , ZOU Xuan1 , DU Lipu1 , WANG Zhengwei2,3
1
2,3
(1. Water Conservancy Project Construction Center of Ningxia Hui Autonomous Region,
C ε2 、C μ 、σ k 、σ ε 为经验常数, 分别为: C ε1 = 1. 44,C ε2 =
1. 92,C μ = 0. 09,σ k = 1. 0,σ ε = 1. 3。
ε 的关系式: μ t = ρC μ
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2023. №4
扬程 52. 54m, 总 装 机 容 量 10MW, 泵 站 由 进 水 闸、
进水前池、 主副厂房、 进场道路等组成。 设计总共修
建 6 台机组, 现已投入建成 4 台机组, 实行 “ 三用一
备” 。 水 泵 为 单 级 双 吸 离 心 泵, 水 泵 额 定 流 量
3. 083m3 / s, 额定扬程 H = 50m, 额定效率 ηr = 86% , 转
2023. №4
大 电 机 技 术
水轮机及水泵
基于 CFD 数值模拟泵站多机组运行性能分析
齐敦哲1 , 宋希杰2,3 , 沈玉彬1 , 邹 璇1 , 杜立普1 , 王正伟2,3
(1. 宁夏水利工程建设中心, 银川 751400;
2. 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 ( 清华大学) , 北京 100084;
型。 泵站往往是由多个机组并行运行组成, 当多个机
组同时运行时其相互协调运行的合理性决定了机组的
运行效率, 实现机组的高效运行 [7-9] 。
目前针对不同形式多机组泵站先后有许多专家开
展了相关研究 [10-12] 。 肖若富 [13] 分析了泵站运行的准
则, 通过选择泵站运行功率最小为准则, 采用逆序递
significance and engineering value.
Key words:pump station; multi-unit operation; flow stability; velocity distribution; numerical simulation
基金项目: 国家自然科学基金项目 (51876099) ; 宁夏回族自治区水利科技项目 ( DSQZX-KY-01, DSQZX-KY-02)
恒定律, 主要是满足质量守恒和动量守恒 [16-17] 。
质量守恒方程:
流经泵内的液体可不考虑压缩性的影响, 单位时
间内流入和流出的质量相等 [18] , 其数学表达式为:
∂ρ ∂( ρu i )
+
=0
(1)
∂t
∂x i
动量方程:
∂( ρu i ) ∂( ρu i u j )
∂2 u i
∂p
+
= +μ
ε
j
C ε1
∂u i ∂u j ∂u i
ε2
+
μt
- C ε2 ρ
+
k
k
∂x j ∂x i ∂x j
(
)
(4)
式中, ρ 为流体密度, kg / m ; k 为湍动能, J; ε
为湍动能耗散率,% ; 紊动黏度系数 μ t 可表示成 k 和
3
k2
; σ k 、 σ ε 分别是紊动能 k 和耗
ε
散率 ε 对应的 Prandtl 数。 在标准 k-ε 模型中, C ε1 、
运行效率每提高 1 个点也将会发出更多的电能, 产生
巨大的经济效益。 “ 双碳” 战略的实现亟需水力机械
实现更高效、 更稳定的运行, 而水力机械安全稳定运
行的突破制约着该行业的发展 [3-6] 。 为促进国家进一
步发展, 我国将继续修建大量的取水泵站和灌排泵
站, 尤其以黄河流域灌排泵站和南水北调工程为典
对于湍流模型的选择, 本文选择工程中常用的标
准 k-ε 模型 [19] 。 标准 k-ε 模型是由 Launder 和Spalding
为主于 1974 年提出的, 把紊流黏性与紊动能 k 和紊
动能耗散率 ε 相联系, 在紊动能方程的基础上, 引入
关于紊动能耗散率 ε 方程后形成的两方程模型称为标
准 k-ε 模型 [20] , 输运方程为:
数开机时机组内的流动特性, 研究结果同时可以为其
他引黄取水泵站不同机组开机时机组性能预测和运行
调控提供理论指导。
1 研究背景及数值计算
1. 1 研究背景
银川都市圈中线供水工程黄河黄沙古渡泵站取水
口位于宁夏银川兴庆区月牙湖乡。 泵站设计流量近期
为 5. 60m3 / s, 远期为 8. 45m3 / s, 净扬程 39. 73m, 总
and there is only large-scale backflow in the outlet pipe of a few units under rated flow conditions.
When the three units are operating at the same time, the head of the unit is less than that of the two
three units will be reduced. The research results of this paper provide theoretical guidance for the
operation control of multi-unit parallel operation of pump station, and have important academic
机组泵站进行逐步求解寻求到最佳的泵运行时间表,
实现了运行成本最低。 目前大量的研究工作已经为多
机组泵站运行和建设提供了有力的支持。
本文研究对象为银川都市圈中线供水工程黄沙古
渡泵站, 该泵站为新修建的一引黄灌排泵站, 目前多
机组运行内部流动和机组性能未知。 本文通过对该泵
站多机组流动进行数值模拟, 以探究该泵站不同机组
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48
基于 CFD 数值模拟泵站多机组运行性能分析
0 前言
在国家 “ 双碳” 战略的大政策下, 节能减排和
高效产能已经是经济发展和社会进步的关键因素 [1-2] 。
水泵站是重要的战略能源资源, 水泵运行效率每提高
1 个百分点, 全国泵站将节能数亿元, 同样水轮机组
位时间内降低了 18. 6% 的能耗。 常鹏程 [14] 对翟山大
沟泵站工程多机组运行时侧向进水前池进行数值模
拟, 发现无整流措施的情况下 3 台机组的进水池内部
均存在大范围的漩涡, 并对多机组运行进行了优化,
运行效率得到改进。 Zessler [15] 等运用动态规划法对多
asymmetric distribution, and the uniformity of inlet velocity under large flow condition is significantly
improved. There is large-scale backflow in the outlet pipe of the pump under large flow conditions,
(2)
∂t
ρ 为流体密度, kg / m3 ; u i 、 u j 为流体在 i、
j 方向上的速度分量, m / s; p 为时均压力, kPa; μ 为
流体的运动黏性系数; x i 、 x j 为空间坐标分量, m; t
为时间, s。
1. 2. 2 湍流模型
存在大尺度的回流, 额定流量工况只有少数机组出水管内存在大尺度回流。 三台机组同时运行时机组的扬程
小于两台机组运行时的扬程, 说明开机数量越多, 不同机组之间的水流流动相互干扰越大, 相比于两台机组
开机运行时, 三台机组运行时机组的水力性能会降低。 本文研究结果为泵站多机组并行运行时的运行控制提
供理论指导, 具有重要的学术意义和工程价值。
analyzed. The research results show that when the multi-unit operates in parallel, the inlet velocity
distribution of different units is not different, the inlet velocity under rated flow condition presents
2023. №4
速 n = 490r / min, 叶片数 zb = 16, 叶轮直径 D = 1275mm。
1. 2 数学模型
1. 2. 1 控制方程
流体力学的三大基本定律是质量守恒定律、 能量
守恒定律和动量守恒定律。 通常情况下, 水泵内流体
可以看作为不可压缩流体, 流动介质为常温液态水,
在整体流动的过程中未考虑热量传递, 故忽略能量守
Yinchuan 751400, China;
2. State Key Laboratory of Hydroscience and Hydraulic Engineering( Tsinghua University) ,
Beijing 100084, China;
3. Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
k 方程:
μ t ∂k
∂( ρk) ∂( ρku i ) ∂
+
=
μ+
∂t
∂x i
∂x j
σ k ∂x j
[(
) ]
∂u ∂u ∂u
+μ (
- ρε
+
∂x ∂x ) ∂x
t
ε 方程:
∂( ρε) ∂( ρε u i ) ∂
+
=
∂t
∂x i
∂x j
i
j
i
j
i
j
[ ( μ + σμ )∂x∂ε ]
(3)
t
[ 关键词] 泵站; 多机组运行; 流动稳定性; 流速分布; 数值模拟
[ 中图分类号] TK734 [ 文献标志码] A [ 文章编号] 1000-3983(2023)04-0047-07
Analysis of Multi-unit Operation Performance of Pumping Station based
Abstract:In this paper, the multi-unit operation performance of Huangsha gudu pumping station in
Yinchuan, Ningxia is numerically simulated, and the unit performance under different unit numbers is
49
大 电 机 技 术
1. 3 计算模型三维建模
为探究不同机组数并联运行性能, 分别分析 2 台
机组和 3 台机组同时运行时机组的运行性能。 在 UG
中建立 2 台机组运行和 3 台机组运行的三维几何模
型, 如图 1 和图 2 所示。 利用 Workbench 对计算模型
进行网格划分, 选用非结构化网格和结构化网格混合
units, indicating that the more the number of units is started, the greater the mutual interference of
water flow between different units. Compared with the two units, the hydraulic performance of the
3. 清华大学能源与动力工程系, 北京 100084)
[摘 要] 本文对宁夏银川黄沙古渡泵站多机组运行时的机组性能进行数值模拟, 分析了不同机组数运行
下的机组性能, 研究结果表明: 在多机组并行运行时, 不同机组进口流速分布差别不大, 额定流量工况下进
口速度呈现非对称分布, 大流量工况下进口流速均匀度明显提高, 近似对称分布。 大流量工况水泵出水管均
剖分, 考虑计算资源, 以水泵现场实测结果为依据,
首先采用单机组计算结果进行网格无关性检查, 如
on CFD Numerical Prediction
QI Dunzhe , SONG Xijie , SHEN Yubin1 , ZOU Xuan1 , DU Lipu1 , WANG Zhengwei2,3
1
2,3
(1. Water Conservancy Project Construction Center of Ningxia Hui Autonomous Region,
C ε2 、C μ 、σ k 、σ ε 为经验常数, 分别为: C ε1 = 1. 44,C ε2 =
1. 92,C μ = 0. 09,σ k = 1. 0,σ ε = 1. 3。
ε 的关系式: μ t = ρC μ
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扬程 52. 54m, 总 装 机 容 量 10MW, 泵 站 由 进 水 闸、
进水前池、 主副厂房、 进场道路等组成。 设计总共修
建 6 台机组, 现已投入建成 4 台机组, 实行 “ 三用一
备” 。 水 泵 为 单 级 双 吸 离 心 泵, 水 泵 额 定 流 量
3. 083m3 / s, 额定扬程 H = 50m, 额定效率 ηr = 86% , 转
2023. №4
大 电 机 技 术
水轮机及水泵
基于 CFD 数值模拟泵站多机组运行性能分析
齐敦哲1 , 宋希杰2,3 , 沈玉彬1 , 邹 璇1 , 杜立普1 , 王正伟2,3
(1. 宁夏水利工程建设中心, 银川 751400;
2. 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 ( 清华大学) , 北京 100084;
型。 泵站往往是由多个机组并行运行组成, 当多个机
组同时运行时其相互协调运行的合理性决定了机组的
运行效率, 实现机组的高效运行 [7-9] 。
目前针对不同形式多机组泵站先后有许多专家开
展了相关研究 [10-12] 。 肖若富 [13] 分析了泵站运行的准
则, 通过选择泵站运行功率最小为准则, 采用逆序递
significance and engineering value.
Key words:pump station; multi-unit operation; flow stability; velocity distribution; numerical simulation
基金项目: 国家自然科学基金项目 (51876099) ; 宁夏回族自治区水利科技项目 ( DSQZX-KY-01, DSQZX-KY-02)
恒定律, 主要是满足质量守恒和动量守恒 [16-17] 。
质量守恒方程:
流经泵内的液体可不考虑压缩性的影响, 单位时
间内流入和流出的质量相等 [18] , 其数学表达式为:
∂ρ ∂( ρu i )
+
=0
(1)
∂t
∂x i
动量方程:
∂( ρu i ) ∂( ρu i u j )
∂2 u i
∂p
+
= +μ
ε
j
C ε1
∂u i ∂u j ∂u i
ε2
+
μt
- C ε2 ρ
+
k
k
∂x j ∂x i ∂x j
(
)
(4)
式中, ρ 为流体密度, kg / m ; k 为湍动能, J; ε
为湍动能耗散率,% ; 紊动黏度系数 μ t 可表示成 k 和
3
k2
; σ k 、 σ ε 分别是紊动能 k 和耗
ε
散率 ε 对应的 Prandtl 数。 在标准 k-ε 模型中, C ε1 、
运行效率每提高 1 个点也将会发出更多的电能, 产生
巨大的经济效益。 “ 双碳” 战略的实现亟需水力机械
实现更高效、 更稳定的运行, 而水力机械安全稳定运
行的突破制约着该行业的发展 [3-6] 。 为促进国家进一
步发展, 我国将继续修建大量的取水泵站和灌排泵
站, 尤其以黄河流域灌排泵站和南水北调工程为典
对于湍流模型的选择, 本文选择工程中常用的标
准 k-ε 模型 [19] 。 标准 k-ε 模型是由 Launder 和Spalding
为主于 1974 年提出的, 把紊流黏性与紊动能 k 和紊
动能耗散率 ε 相联系, 在紊动能方程的基础上, 引入
关于紊动能耗散率 ε 方程后形成的两方程模型称为标
准 k-ε 模型 [20] , 输运方程为:
数开机时机组内的流动特性, 研究结果同时可以为其
他引黄取水泵站不同机组开机时机组性能预测和运行
调控提供理论指导。
1 研究背景及数值计算
1. 1 研究背景
银川都市圈中线供水工程黄河黄沙古渡泵站取水
口位于宁夏银川兴庆区月牙湖乡。 泵站设计流量近期
为 5. 60m3 / s, 远期为 8. 45m3 / s, 净扬程 39. 73m, 总
and there is only large-scale backflow in the outlet pipe of a few units under rated flow conditions.
When the three units are operating at the same time, the head of the unit is less than that of the two
three units will be reduced. The research results of this paper provide theoretical guidance for the
operation control of multi-unit parallel operation of pump station, and have important academic
机组泵站进行逐步求解寻求到最佳的泵运行时间表,
实现了运行成本最低。 目前大量的研究工作已经为多
机组泵站运行和建设提供了有力的支持。
本文研究对象为银川都市圈中线供水工程黄沙古
渡泵站, 该泵站为新修建的一引黄灌排泵站, 目前多
机组运行内部流动和机组性能未知。 本文通过对该泵
站多机组流动进行数值模拟, 以探究该泵站不同机组
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基于 CFD 数值模拟泵站多机组运行性能分析
0 前言
在国家 “ 双碳” 战略的大政策下, 节能减排和
高效产能已经是经济发展和社会进步的关键因素 [1-2] 。
水泵站是重要的战略能源资源, 水泵运行效率每提高
1 个百分点, 全国泵站将节能数亿元, 同样水轮机组