河流是城市生态平衡系统中的重要元素,是景观系统的宝贵资源。河流对生态城市的建设具有重要意义,如防洪、排涝和景观水体等^[1]。从水生态环境方面看,城市景观水体、生态河流、城市内河涌,由于截流蓄水、开发利用或因网河区联围防洪等因素均会造成水体流动性较差,河流动力减弱,有可能变成“死水”而造成水体自净能力退化,环境恶化而不能满足生态要求^[2]。目前解决河流及景观水体污染的主要措施有4种^[3]:物理方式包括引水换水、曝气充氧和疏浚底泥等;化学方式主要是在水中加入灭藻剂和吸附剂等化学物质来净化水质;生物修复技术是指利用生物的代谢活动降解污水中的有机污染物,从有毒变无毒,从而修复被污染的河流;生态修复方法是利用生态工程原理和技术进行生态修复。对城市河流特别是景观水体来说^[4],一般具有汇水面积小、汇水量小、交换水量少和调节能力差等弱点,这些封闭水体污染很大程度是因为水不能流动或者流动性差,造成河流变臭,微生物滋生,藻类疯涨的水污染状况,因此只要能够将死水变活,就能直接、灵活有效改善水质^[5,6]。生态贯流泵是一种以平板闸门为载体进行低扬程抽水的装置,该装置集成在一段管道内为一体化整装结构,管道采用固定导叶支撑,同时用以与平板闸门或地基基础相固定。该装置可利用水泵的低扬程抽水功能,对目标水体进行补水,实现水流循环流动或微循环流动,从而满足生态需求。

　　 本文基于河海大学水力机械多功能试验台^[7],对开发的生态贯流泵的能量特性进行了模型试验研究,分析了该水泵的能量特性,并与数值模拟数据进行对比,验证数值模拟的可靠性,后续可借助数值模拟方法对泵装置进行优化设计,其结果可对类似装置开发提供参考价值。

　　 原型生态贯流泵装置直径为0.6 m,叶片数为5片,固定支撑作为导叶支撑灯泡体。水泵装置原型额定转速为480r/min,额定扬程为1 m,最大扬程为1.5m,最小扬程为0.3m,加权平均扬程为1m,额定流量500L/s。将原型水轮机按比例缩小至直径为0.4m的水泵模型,其特征扬程与原型机一致。根据相似准则原理,模型泵额定流量为222L/s,额定转速为720r/min。图1为生态贯流泵模型试验装配示意。

　　 本文所研究生态贯流泵模型试验采用河海大学多功能水力机械试验台进行,试验条件及试验设备参照文献[7~9]。试验台与模型实物见图2。

　　 模型水泵装置能量试验采用等扬程试验和nD值相同的条件。在能量试验之前,模型泵应在额定工况运转30min以上,排除系统中的游离气体,气泡的存气,其间应检查泵的轴承、密封、噪声和振动等^[10]。测定22°、23°、25°、27°、29°、31°6个叶片安放角的装置性能,确定装置扬程、轴功率、效率和流量的关系,并绘制水泵模型综合特性曲线。

　　 模型泵装置效率η:

　　 式中Q———模型泵流量,m³/s;

　　 H———模型泵装置扬程,m;

　　 n———模型泵转速,r/min;

　　 N———模型泵输入轴功率,W; ,M为模型水泵轴扭矩,N·m。

　　 本研究对泵装置原、模型的效率不作换算。

　　 采用CFD方法对生态贯流泵全流道采用三维定常不可压湍流流场进行数值模拟。数值计算采用连续性方程和雷诺时均Navier-Stokes方程^[11]:

　　 式中U———流体速度矢量,m/s;

　　 ρ———流体密度,kg/m³;

　　 p———压强,Pa;

　　 υ———运动粘度,m²/s;

　　 τ_ij———雷诺应力张量。

　　 计算区域包括进出水流道、转轮室及上下水库,如图3所示。考虑到计算机计算能力及网格无关性验证,网格采用适应性强的四面体非结构化网格。湍流模型选用Spalart-Allmaras模型,此模型既保持了涡黏模式的简单形式,也考虑了雷诺应力的松弛性质,并且具备较好的收敛性,对网格质量要求低,在涡轮机械中应用广泛^[12]。速度项、湍动能项和湍动能粘度系数项采用二阶迎风格式进行离散,速度和压力方程采用SIMPLEC算法进行耦合^[13]。在固壁区采用无滑移边界,在近壁区采用标准壁面函数。采用流量进口(mass flow inlet)和自由出流(outflow)出口^[14]。

　　 表1给出了模型泵在不同角度下最优效率模型试验参数及换算的原型参数。表2所示为设计扬程1m时各角度下水泵达到最优效率时原模型参数。

　　 从表1和表2可以看出:①在设计扬程1m时,模型水泵最高效率为68.99%,对应的叶片安放角φ为27°,模型流量为218.8 L/s,对应原型流量为492.3L/s,换算到原型装置的效率为68.99%,原型的功率为7.01kW;②水泵模型装置最高效率为71.70%,换算到原型装置的效率为71.70%,对应的叶片安放角φ为23°,扬程为0.8m。此工况下,水泵的模型流量为196.8L/s,原型流量为442.8L/s,原型的功率为4.85kW。

　　 图4和图5所示为生态贯流泵装置原型和模型综合特性曲线。从图4和图5不难看出,生态贯流泵装置高效区范围较广,最高效率主要集中在0.8m扬程附近且效率变化缓慢。该生态贯流水泵能量性能较优,具备较高的经济和生态意义。该装置能够利用低扬程抽水功能使河流保持自然的流动状态,非常有效地降低由于封闭水体不流动造成的河流和景观水体污染。

　　 试验误差分为系统误差和随机误差两部分。系统误差是服从某一确定规律而不具有抵偿性的误差,它主要取决于测量仪表误差。模型试验中效率的系统误差可用下式计算:

　　 式中E_η,S———模型试验中效率的系统误差,%;

　　 E_Q,S———流量测量的系统误差,%;

　　 E_H,S———扬程测量的系统误差,%;

　　 E_n,S———转速测量的系统误差,%;

　　 E_M,S———转矩测量的系统误差,%。

　　 根据试验台设备可知,系统误差如下:流量测量的系统误差E_Q,S=±0.2%;扬程测量的系统误差E_H,_S=±0.1%;转速测量的系统误差E_n,_S=±0.05%;转矩测量的系统误差E_M,_S=±0.2%。由式(4)可求得模型试验中效率的系统测量误差E_η,_S=0.304%。

　　 随机误差是服从统计规律并且具有抵偿性的误差,常用概率统计法处理,误差呈t分布,其标准偏差由下式计算:

　　 式中S_x———标准偏差;

　　 x_i———各次测量值;

　　 ———测量值的算术平均值;

　　 n———测量次数,取9。

　　 在最优效率点附近连续读取9次重复试验数据,见表3。

　　 随机误差采用相对误差E_R表示,其值用下式计算

　　 式中E_R———相对误差,%;

　　 t_n-1———置信系数,一般采用95%的置信概率,可查表求出,当n=9时,t_n-1=2.26。

　　 则效率的随机误差为:

　　 式中E_η,R———模型试验中效率的随机误差,%;

　　 E_Q,R———流量测量的随机误差,%;

　　 E_H,R———扬程测量的随机误差,%;

　　 E_n,R———转速测量的随机误差,%;

　　 E_M,R———转矩测量的随机误差,%。

　　 试验的效率总误差为:

　　 式中E_η———模型试验中效率的总误差,%。

　　 根据实际测量结果,由式(8)可求出生态贯流泵模型水泵工况试验的效率总误差E_η=0.436%。

　　 将换算后的原型试验结果与CFD数值模拟结果进行对比,对比结果见图6。从图6可以看出,泵装置扬程变化范围从0~1.5m,无论是数值模拟还是模型试验,抽水工况下水泵效率均高于70%。扬程曲线和效率曲线虽流量变化在模型试验和数值模拟时规律一致,较优工况点两者吻合较好,偏离较优工况点,两者存在一定的偏差,因此数值模拟结果可以反映生态贯流泵内部流场及外部性能特性,验证了数值模拟的可靠性。

　　 最优工况下,效率和扬程曲线在数值模拟和模型试验结果中基本重合,效率误差为±2.3%,扬程误差仅为±1.0%,而偏离最优工况误差较大,造成较大误差的原因与数值模拟计算中网格的质量、计算模型的选择以及参数的设置等有关。模型试验效率比数值计算结果偏低,这些是由于轴承摩擦与密封、流道和转轮之间的摩擦造成的轴功率损失而产生的,同时数值计算中并未考虑叶片变形问题,而实际运行过程中叶片根部应力较大会出现叶片变形。此外,模型叶片加工时,为了增加叶片强度,会对叶片根部适当做加厚处理,这使得模型试验叶片与数值模拟叶片不完全一致,同时叶片安放角摆放也无法保证完全一致,造成两者偏差较大。

　　 通过模型试验与数值模拟结果对比可知,数值模拟方法在对水泵外特性能预测方面具备较高的精度,同时成本较低,操作简便,因此本文通过该方法对泵不同叶片安放角下水泵外特性进行的计算。表4和表5分别为叶片安放角为25°和29°时生态贯流泵外特性参数。

　　 由表4和表5可知,数值模拟结果与模型试验结果参数变化范围一致。当设计扬程为1.0 m左右时,生态贯流泵最高效率为69%,对应叶片转角为29°,此时贯流泵流量和实际扬程分别为600L/s和0.96m,轴功率为8.15kW。贯流泵最高效率为70.60%,对应的叶片安放角为25°,实际扬程为0.84m,其泵装置流量为500L/s。由此可见,本文所开发的生态贯流泵可运用于超低扬程的水环境中,且具备较高的运行效率及较大的过流能力。

　　 (1)在设计扬程为1 m时,模型水泵最高效率为68.99%,对应的叶片安放角φ为27°,模型流量为218.8L/s,对应原型流量为492.3L/s,换算到原型装置的效率为68.99%,原型的功率为7.01kW;水泵模型装置最高效率为71.70%,换算到原型装置的效率为71.70%,对应的叶片安放角φ为23°,扬程为0.8 m。此工况下,水泵的模型流量为196.8L/s,原型流量为442.8L/s,原型的功率为4.85kW。

　　 (2)生态贯流泵装置高效区范围较广,最高效率主要集中在0.8 m扬程附近且效率变化缓慢。该装置可充分利用其低扬程抽水功能,对流动性较差的河流进行补水抽水,使目标水体实现循环流动,将死水变活,从而改善水质,满足水生态文明的需要。

　　 (3)模型试验的总误差为0.436%。数值模拟结果与模型试验结果变化规律一致,吻合较好,可以验证数值模拟的可靠性。偏离设计工况点时,两者偏差较大的原因与叶片制造以及数值模拟中网格、模型选择及参数设置等因素有关。