基于Fluent数字仿真的水下清淤系统吸口内部流场优化设计
[摘要] 为解决大型火电发电机组冷却水池内悬浮物高，池底大量淤积现象，研究并设计针对火力电厂循环水池不停机水下清淤系统能大大降低运行成本，提高工作效率。本文拟运用Fluent软件对该水下清淤系统的吸口流场进行数字仿真模拟，对系统流场压力、流速情况进行分析，以达到对系统吸口流场进行优化设计，降低能耗。
[关键词] 清淤系统 流场分析 Fluent 数值仿真 优化设计
1.前言
因发电厂冷却水池中，一直存在着循环水悬浮物含量高、淤泥沉积量大的问题，每间隔4～5个月就需对水塔水池清淤。循环水系统内大量悬浮物和淤泥的存在会给系统造成危害，包括腐蚀铜管、降低换热效果、堵塞水塔喷嘴甚至导致发电机组停机等恶性事故。
本文利用Fluent软件构造吸口三维模型，划分网格，利用计算流体力学理论在给定压强、泵吸流量、泥浆浓度、输送距离以及其它工作环境的情况下，对吸口流场进行数值模拟，模拟出吸口流场内的压力分布、相关截面速度矢量图。根据模拟数据对吸口结构形式进行选择，选择泵吸效率高的结构形式，并对其结构进行优化设计，提高排泥浓度，改善吸口的过流条件，防止过流不畅、淤塞的现象。
2.吸口装置模型的建立
2.1几何结构模型
初步确定系统的主要技术参数如下：泵口直径： 80～200mm；吸口高度： 200～300mm；吸口宽度： 1000～1500mm；吸口长度： 1500～2500mm。并提出了四种水下清淤机器人吸口装置结构形式方案，如下图1为宽口式吸口装置、图2为窄口式吸口装置、图3为阻挡式吸口装置、图4为拖曳式吸口装置。
2.2 湍流理论控制方程与多相流模型
（1） 湍流理论控制方程
吸口内部流动为复杂的湍流流动，选用三维的N-S方程作为控制方程，并采用标准κ-ε双方程湍流模型建立封闭的控制方程组。
其中，为有效粘度，；为湍流粘度，；为单位质量力；。方程中所涉及的经验常数取值为：=0.09，=1.0，=1.3，=1.44，=1.92。
（2） 多相流模型
物质的三种状态称为三相：固相、液相和气相。多相流就是指在流体中不仅仅是单一形态的物质，而是有两种或两种也上相态的物质同时存在并构成一种流动状态。在Fluent中，共有三种多相流模型，分别是VOF模型、混合物模型和Eulerian模型。本文采用混合物模型来模拟吸口流场内各相流动状态。
2.3边界条件
多相流体中粉尘的含量为8～10%，在计算时取最大值10%；大气压力为101325Pa；重力加速度取9.8m2/s；泵的吸口压力设定为5bar，约为50000Pa；混合物密度为1320kg/m3，运动粘度为1.014×10-6m2/s。在Fluent中入口边界与出口边界分别设定为PRESSURE_INLET和PRESSURE_OUT。
2.4吸口模型网格划分
利用Fluent软件中前置处理Gambit自动划分网格功能，对吸口装置几何体进行网格划分。对以上四种方案分别采用组合式网格进行划分，网格单元数分别为216340、499291、525963、493830。
3.吸口三维湍流场仿真结果与分析
在Fluent软件中，选择标准κ-ε双方程湍流模型、多相流模型及按2.3节中边界条件设定后，进行迭代计算。四种方案分别迭代298、255、508、569次后收敛。
为分析吸口装置流场情况，往往借助几何结构体内某些辅助平面，分析其压力、速度等变化情况。四种方案中均借助中轴线平面来分析。下面以流场内压力分析为例进行阐述。
对四个方案的中轴平面surf的压力分布图进行分析比较，如图5、图6、图7、图8所示。
图5中显示的方案一在工作中，入口到出口右侧部分压力几乎没有变化，而出口处下方压力变化明显，说明泵口吸力主要集中在正下方直径为200mm的工作区域内；图6所示的方案二在工作状态时，右侧部分压力也没有多大变化，变化主要集中在与出口平面垂直的圆柱范围内，但此方案左侧会出现压力死角，在此处可能造成淤积现象，亦即在清淤机器人工作时，淤泥会在此处的壁面堆积，轻则降低清淤机器人的工作效率，重则会阻塞泵口，导致停机现象。图7所示的方案三的中轴截面压力分布图，在左侧由于其几何结构为类半圆柱体，压力没有突变情况，较好的弥补了方案二中的压力死角问题。图8所示的方案四的中轴截面压力分布图呈左右对称分布，也不存在压力死角问题，产生淤泥堆积的几率较小。
同理，我们可以运用Fluent软件处理器对流场内质点速度情况进行分析，结合压力和速度进行综合分析，对四种方案的各自特点总结如下表所述：
从表中反映的情况来看，拖曳式吸口模式系统功效评价较好，但还需对其结构进行进一步优化，特别是在吸口顶端出口部分平面为长方形，该平面远端部分在系统长期运行过程中同样也会有淤泥堆积情况发生。
4.水下清淤机器人吸口装置优化
4.1结构优化方案
在利用计算流体力学理论在给定压强、泵吸流量、泥浆浓度、输送距离以及其它工作环境的情况下，经对本文所提到的四种吸口装置进行流场仿真模拟后，为优化吸口结构形式，防止或者减少过流不畅、淤塞等现象发生，提高排泥浓度，提高系统的工作效率。在上述分析的基础上将“拖曳式吸口结构”进一步优化，具体优化方案如下所述。
如图9所示为优化后的拖曳式吸口装置，将其底部优化成直径为100mm的圆面，与泵口直接联接。其它部分尺寸为:底部250mm×500mm的长方形，上部分高400mm，下部分高300mm。
4.2优化方案性能分析
为进一步分析优化方案的性能，在几何体内构造两个中轴平面为分析辅助平面。首先对优化后的吸口流场中的辅助平面上的压力分布情况进行分析。可以很明显的看到，吸口顶部没有压力死角。其次对优化后辅助平面上的速度情况进行分析，如速度变化均匀，吸口顶部不存在存在速度突变情况，也就说在此处，清淤系统长时间运行过程中不容易产生淤泥吸附壁面、堆积、甚至有於塞现象，系统运行平稳。
5.结论
通过分析比较，在设计吸口几何结构时要注意以下几点：
1.在设计吸口形状时，要充分考虑流场是否存在死角，以及死角的大小。流场死角的存在，将会增加淤泥堆积的概率。
2.吸口内部设计需考虑整体流场内的速度是否分布均与。速度分布均匀，泵的工作效率相应就高，反之，若流场内速度分布不均匀，泵的效率低。
3．吸口的泵吸出口距离入口的位置要合理。从速度轮廓线图反应出的信息来看，出口与入口的距离取决于泵吸口的大小，同时也要考虑到泵的功率大小，功率大，泵口直径大，出口与入口的距离也可相应大些。
参考文献：
[1]韩占忠，王敬，兰小平，等．Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M]．清华大学出版社.
[2]王瑞金，张凯，王刚，等．Fluent技术基础与应用实例[M].清华大学出版社.
[3]王福军．计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]．清华大学出版社.
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