江門市橫江泵站進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計分析

方維柯

摘要：橫江泵站為一雙向引排水功能的泵站，流道內(nèi)水力特性復(fù)雜，為避免流道內(nèi)產(chǎn)生漩渦，提出幾種優(yōu)化設(shè)計方案（設(shè)置垂直整流隔板或設(shè)置導(dǎo)流錐）。通過對幾種優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從數(shù)值模擬結(jié)果中找出最優(yōu)方案，從而改善進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)。

關(guān)鍵詞：泵站雙向流道流態(tài)垂直隔板導(dǎo)流錐數(shù)值模擬分析

中圖分類號：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

一、橫江泵站設(shè)計要點

橫江泵站工程位于江門市蓬江區(qū)境內(nèi)，是一座通過雙向流道中上、下、左、右閘門的啟閉組合控制實現(xiàn)雙向引排水功能的泵站。泵站布置6孔，中間4孔為泵室流道，2個邊孔為自引水閘。泵室內(nèi)安裝4臺型號為1200ZDB－160（φ＝+2o）的潛水泵，單機容量為250KW，總裝機容量為1000KW，單機引水流量為5.1m3/s，總引水流量為20.4m3/s，單機排水流量為5.2m3/s，總排水流量為20.8m3/s。

橫江泵站原設(shè)計方案在各種運行工況下，裝置整體水流可以較好的從進(jìn)水閘正向進(jìn)入進(jìn)水池，水流流態(tài)平穩(wěn)，速度梯度變化均勻，且流速呈對稱分布，只在局部有小范圍的漩渦和回流產(chǎn)生?，F(xiàn)對進(jìn)水流道作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，并對設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)模計算分析，進(jìn)一步論證設(shè)計方案對橫江泵站進(jìn)水流道流態(tài)的影響，為工程設(shè)計及運行管理提供技術(shù)參考依據(jù)。

二、 優(yōu)化方案的提出

橫江泵站為一雙向引排水功能的泵站，由于泵站本身的特點，雙向進(jìn)水流道中兩側(cè)水流流速不完全相同、水流轉(zhuǎn)彎處過水?dāng)嗝娴耐蛔兊纫蛩?，以及非進(jìn)水流道一端有足夠的空間供帶有環(huán)量的水流發(fā)展成漩渦。改善流態(tài)的基本途徑是設(shè)法切斷漩流或?qū)⒘鞯婪指畛扇舾尚〉目臻g,抑制漩渦的進(jìn)一步發(fā)展,從而達(dá)到消渦的目的。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，一般有兩種有效的消渦設(shè)施方案，第一種是在流道內(nèi)放置一塊貫穿整個流道的垂直整流隔板，第二種是在水泵喇叭口下設(shè)置導(dǎo)流錐。

為此，對泵站進(jìn)水流道提出四個優(yōu)化設(shè)計方案，分別是：1.單排隔板優(yōu)化方案，即在流道內(nèi)設(shè)置貫穿整個流道的垂直整流隔板；2.單排隔板加導(dǎo)流錐優(yōu)化方案，即在方案1的基礎(chǔ)上在喇叭口下方設(shè)置一個坡面為橢圓錐形的導(dǎo)流錐；3.雙排隔板優(yōu)化方案，即在流道內(nèi)設(shè)置兩排等間距的貫穿整個流道的垂直整流隔板，隔板尺寸與方案1相同； 4.雙排隔板加導(dǎo)流錐優(yōu)化方案，即在優(yōu)化方案3的基礎(chǔ)上加裝優(yōu)化方案二的導(dǎo)流錐。各方案在流道內(nèi)的布置見圖1。

三、進(jìn)水流道內(nèi)消渦效果（數(shù)值模擬結(jié)果）對比

現(xiàn)對上述4個方案分別進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，通過截取泵站進(jìn)水流道1/2高程處橫截面，其數(shù)值模擬成果（速度矢量及流線圖）見圖2。

分析數(shù)值模擬成果速度矢量及流線圖可知，單排隔板的優(yōu)化方案流道內(nèi)流態(tài)順暢，漩渦及回流范圍小。雙排隔板的優(yōu)化方案通過在進(jìn)水流道內(nèi)多加設(shè)了一道垂直隔板，將流道分割成小空間，進(jìn)一步有效地抑制了漩渦的發(fā)展，流態(tài)順暢，流道內(nèi)的漩渦和回流范圍減小，消渦效果明顯；但是，加導(dǎo)流錐的消渦效果一般，流道內(nèi)依然有大量的旋渦和回流存在。

(a)方案1進(jìn)水流道橫截面流線圖(b)方案2進(jìn)水流道橫截面流線圖

(c)方案3進(jìn)水流道橫截面流線圖(d)方案4進(jìn)水流道橫截面流線圖

圖2 各方案喇叭口水平截面流線圖

四、喇叭口的偏流問題對比

（a）單排隔板優(yōu)化方案（b）雙隔板優(yōu)化方案

（c）單隔板加導(dǎo)流錐優(yōu)化方案 （d）雙隔板加導(dǎo)流錐優(yōu)化方案

圖3 各方案喇叭口水平截面流線圖

由于雙向流道總是一端進(jìn)水，所以喇叭口處的進(jìn)水多有偏流現(xiàn)象，從上面四個方案的喇叭口水平截面流線圖，觀察匯流點的偏移狀況可以看出，各個優(yōu)化方案對吸水管喇叭口下方流態(tài)都有較好的矯正作用，交匯點在容許偏移區(qū)域內(nèi)，其中，尤以雙隔板加導(dǎo)流錐的優(yōu)化方案四效果最明顯。但是綜合考慮圖2和圖3的對比效果，而且考慮施工及經(jīng)濟因素，單排垂直隔板方案可行性最高，因此排除在流道內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流錐的優(yōu)化方案。

下面著重對單排垂直隔板優(yōu)化方案和雙排垂直隔板優(yōu)化方案進(jìn)行對比分析。

五、機組整體流態(tài)對比

通過截取單排隔板優(yōu)化方案以及雙排隔板優(yōu)化方案一號泵中部截面，通過三維數(shù)值模擬作出截面速度矢量及流線圖（見圖4），從流線圖分析可知，單排隔板優(yōu)化方案的出水流道流態(tài)順暢，天沙河側(cè)基本無回流和漩渦現(xiàn)象出現(xiàn)，但若在進(jìn)水流道內(nèi)再加設(shè)一道垂直隔板，惡化了出水流道的流態(tài)，在天沙河側(cè)管道垂直交叉處有較大的旋渦出現(xiàn)，且整體流速降低。出水流道流態(tài)是機組段流態(tài)的間接反映，在一定意義上將會增加泵站的揚程。

（a）單隔板泵中部截面流線圖（b）雙隔板泵中部截面流線圖

六、總結(jié)

橫江泵站為一雙向引排水功能的泵站，由于泵站本身的特點，雙向進(jìn)水流道中兩側(cè)水流流速不完全相同、水流轉(zhuǎn)彎處過水?dāng)嗝娴耐蛔兊纫蛩?，以及非進(jìn)水流道一端有足夠的空間供帶有環(huán)量的水流發(fā)展成漩渦，因此，在非進(jìn)水流道一側(cè)內(nèi)存在漩渦和回流的現(xiàn)象避免不了。

目前，改善流態(tài)的基本途徑是設(shè)法切斷漩流或?qū)⒘鞯婪指畛扇舾尚〉目臻g,抑制漩渦的進(jìn)一步發(fā)展,從而達(dá)到消渦的目的?；谝陨舷麥u基本方法，本設(shè)計擬定了四種優(yōu)方案，數(shù)值模擬計算結(jié)論如下：

（1）在流道內(nèi)設(shè)置貫穿整個流道的垂直整流隔板情況下，再設(shè)置導(dǎo)流錐，消渦效果不明顯，考慮施工及經(jīng)濟因素，因此在流道內(nèi)不宜加設(shè)導(dǎo)流錐。

（2）通過對各優(yōu)化方案流場的分析比對發(fā)現(xiàn)，各優(yōu)化方案對非進(jìn)水側(cè)流道內(nèi)的消渦，以及喇叭口偏流調(diào)整效果明顯，雙排隔板優(yōu)化方案在流道內(nèi)的消渦效果比單排隔板優(yōu)化方案在流道內(nèi)的消渦效明顯，但卻嚴(yán)化了出水流道的流態(tài)，在出水管道垂直交叉處有較大的旋渦出現(xiàn)，且整體流速降低，在一定意義上將會增加泵站的揚程。介于施工及經(jīng)濟等多方面因素的考慮，單排隔板優(yōu)化方案為最優(yōu)方案。

（3）雖然各優(yōu)化方案對于進(jìn)水流道的整流效果良好，但都惡化了出水流道內(nèi)流態(tài)。對于單排隔板優(yōu)化方案，其實非進(jìn)水那一側(cè)流道內(nèi)流速極小，通過漩渦間能量的自我調(diào)整一般對機組運行的影響不大。