豎井式進水流道尺寸對水力性能的影響

徐 磊，陸林廣，王 海，李亞楠

(揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚州 225009)

豎井式貫流泵裝置將電動機、齒輪箱和軸承等設(shè)備布置在開敞式混凝土豎井中，具有結(jié)構(gòu)較簡單、安裝檢修較方便、電機通風(fēng)散熱條件較好和投資較省等優(yōu)點，在水資源調(diào)配、水環(huán)境改善和城市防洪等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

目前，在豎井式貫流泵裝置的水力性能方面已有一些研究，主要是采用數(shù)值模擬和模型試驗方法計算內(nèi)部流動和測試水力特性。文獻[1-2]結(jié)合工程建設(shè)分別對梅梁湖泵站和邳州泵站豎井式貫流泵裝置性能進行了模型試驗研究；文獻[3-4]對豎井式貫流泵進水流道和泵裝置水力性能進行了數(shù)值模擬研究，同時進行了泵裝置模型試驗驗證；文獻[5]基于三維流動數(shù)值模擬方法對豎井式貫流泵裝置進、出水流道流態(tài)進行了詳細剖析。從已有研究來看，關(guān)于流道設(shè)計參數(shù)對水力性能影響方面的系統(tǒng)研究很少，文獻[6]對此僅進行了初步研究。本文基于三維湍流流動數(shù)值模擬方法，揭示流道控制尺寸對豎井式進水流道水力性能的影響規(guī)律及原因，為豎井式貫流泵裝置的水力設(shè)計、合理確定控制尺寸提供理論依據(jù)。

1 基本參數(shù)

南水北調(diào)東線一期工程邳州泵站設(shè)計揚程和平均揚程分別為3.1和2.7 m，單泵設(shè)計流量33.4 m3/s，采用經(jīng)天津同臺測試的TJ04-ZL-06水泵模型[7]，葉輪直徑3.3 m，為前置豎井式貫流泵裝置。

本文借用邳州泵站基本參數(shù)，在對進水流道進行初步優(yōu)化水力設(shè)計研究的基礎(chǔ)上[6]，進一步研究流道長度、寬度和高度等3個控制尺寸對其水力性能的影響。經(jīng)初步優(yōu)化水力設(shè)計得到的方案(方案00)流道長度、寬度和高度分別為16.5，8.0和5.2 m，其單線圖和透視圖見圖1。

(a) 單線圖 (b) 透視圖 圖1 豎井式進水流道單線圖和透視圖(單位： mm)Fig.1 Single line drawing and perspective drawing of shaft inlet conduit (unit: mm)

2 三維流場數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

豎井式貫流泵裝置進水流道三維湍流流場求解的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程。對此，已有很多文獻進行了介紹[8-10]，本文不再描述。

2.2 邊界條件

(1)進口邊界。豎井式進水流道三維流場計算的進口邊界設(shè)置在距流道進口斷面足夠遠的前池中，該斷面的速度可認為是均勻分布，因計算流量已知，故采用速度進口邊界條件。

(2)出口邊界。豎井式進水流道三維流場計算的出口邊界設(shè)置在距流道出口斷面2倍出口直徑處，該處的流動可認為是充分發(fā)展的，故采用自由出流邊界條件。

(3)固壁邊界。豎井式進水流道流場計算中的前池底壁、流道和豎井邊壁等均為固壁，其邊界條件按固壁定律處理，對緊靠固壁處節(jié)點的湍流特性，則采用對數(shù)式固壁函數(shù)處理[11]。

圖2 豎井式進水流道計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分Fig.2 Calculation domain and meshes of shaft inlet conduit

(4)對稱邊界。計算區(qū)域中前池的側(cè)面為對稱面；前池表面為自由水面，忽略水面風(fēng)引起的切應(yīng)力及其與大氣層的熱交換，自由水面也可視為對稱平面處理[11]。

2.3 計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分

根據(jù)豎井式貫流泵裝置進水流道邊界條件的設(shè)置情況，其三維流場計算的區(qū)域包括前池、進水流道和出水直管等3個部分。采用GAMBIT軟件對計算區(qū)域進行網(wǎng)格剖分，進水流道部分采用適應(yīng)性強的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，前池和直管部分采用混合網(wǎng)格及結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖2)。

3 計算結(jié)果及影響分析

(1)

(2)

式中：uti為水泵進口斷面各單元的橫向速度。

(3)

式中：ζc為進水流道水頭損失系數(shù)；vc為進水流道進口斷面平均流速。

3.1 流道長度的影響

在豎井式進水流道初步優(yōu)化水力設(shè)計過程中，流道內(nèi)豎井的尺寸及形狀考慮了電動機、齒輪箱及軸承等設(shè)備的安裝要求，同時也考慮泵站運行管理人員的巡查和操作空間要求。因此，在研究流道長度對其水力性能影響時，保持豎井的形狀及尺寸、流道寬度和高度不變，流道長度的改變量全部用于豎井尾部與葉輪室進口之間的錐段，并相應(yīng)調(diào)整錐段形線使其收縮變化均勻。本項研究中，流道長度的變化范圍取為15.5～17.5 m，每間隔0.5 m形成一個計算方案。流道長度對其水力性能影響研究的計算方案、流道尺寸和流場計算主要結(jié)果見表1。豎井式進水流道水力性能隨流道長度變化的關(guān)系見圖3。

表1 不同流道長度方案時豎井式進水流道水力性能Tab.1 Main results of hydraulic performance for shaft inlet conduit with different lengths

圖3 流道水力性能與流道長度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between conduit hydraulic performance and conduit length

3.2 流道寬度的影響

與研究流道長度對其水力性能影響相同，在研究流道寬度對豎井式進水流道水力性能的影響時，保持豎井形狀和尺寸不變，同時保持流道長度16.5 m和高度5.2 m不變。進水流道寬度的計算范圍取7.0～8.5 m，每間隔0.5 m形成一個計算方案，并根據(jù)寬度的不同對流道平面方向的形線進行調(diào)整。流道寬度對其水力性能影響研究的計算方案、流道尺寸和進水流場計算主要結(jié)果見表2。豎井式進水流道水力性能隨流道寬度變化的關(guān)系見圖4。

表2 不同流道寬度方案時豎井式進水流道水力性能Tab.2 Main results of hydraulic performance for shaft inlet conduit with different widths

圖4 流道水力性能與流道寬度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between conduit hydraulic performance and conduit width

由表2和圖4可以看到：流道寬度對豎井式進水流道水力性能有一定的影響，對流速分布均勻度和流速加權(quán)平均角度影響較小，對水頭損失影響較大；在流道寬度計算范圍內(nèi)，隨著寬度的增加，流道內(nèi)的流速逐漸減小，流道水頭損失逐漸減小，當(dāng)寬度增加至8 m后，流道水頭損失基本不變。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：流道高度不變，隨著流道寬度增加，流道內(nèi)的流速降低，則可減少流道水頭損失；寬度增加導(dǎo)致收縮角增大，故流速加權(quán)平均角度減??；收縮角增加導(dǎo)致局部水頭損失增大，使總水頭損失變化變緩，同時過大的寬度還將增加土建投資。

3.3 流道高度的影響

豎井式進水流道的豎井與流道同高，故在研究流道高度對豎井式進水流道水力性能的影響時，保持豎井形狀和平面方向的尺寸不變，同時保持流道長度16.5 m和寬度8.0 m不變。進水流道高度的計算范圍取4.2～5.7 m，每間隔0.5 m形成一個計算方案，并根據(jù)高度的不同對流道立面方向的形線進行調(diào)整。流道高度對其水力性能影響研究的計算方案、流道尺寸和進水流場計算主要結(jié)果見表3。豎井式進水流道水力性能隨流道高度變化的關(guān)系曲線見圖5。

由表3和圖5可以看到：流道高度對豎井式進水流道的水力性能有一定的影響，對流速分布均勻度和流速加權(quán)平均角度影響較小，對流道水頭損失影響較大；在流道高度計算范圍內(nèi)，流速分布均勻度和流速加權(quán)平均角度隨高度的增加基本不變，流道水頭損失減小較為明顯，當(dāng)高度增加至5.2 m后，高度增加對水頭損失的影響趨于平緩。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：流道寬度不變，隨著高度增加，流道內(nèi)的流速降低，則流道水頭損失減少；當(dāng)高度增加時，流道收縮角增大，流道局部水頭損失增加，使總水頭損失變化趨緩。

表3 不同流道高度方案時豎井式進水流道水力性能Tab.3 Main results of hydraulic performance for shaft inlet conduit with different heights

圖5 進水流道水力性能與流道高度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between conduit hydraulic performance and conduit height

4 豎井式進水流道的流場

圖6 邳州泵站豎井式進水流道流場Fig.6 Flow field in shaft inlet conduit of the Pizhou pumping station

基于控制尺寸對豎井式進水流道水力性能影響的研究結(jié)果，根據(jù)邳州泵站工程泵房設(shè)備及閘門布置的需要，在方案00的基礎(chǔ)上，保持錐段長度不變，將流道長度由16.5 m調(diào)整為17.395 m，并對流道進口圓弧段和豎井頭部的形線作適當(dāng)調(diào)整，形成邳州泵站進水流道的最終方案。

對該流道方案設(shè)計流量時的流場進行了數(shù)值計算，結(jié)果表明：流道出口的流速分布均勻度和流速加權(quán)平均角度分別為98.9%和88.7°，流道水頭損失為0.064 m。計算得到的設(shè)計流量時流場見圖6，可以看到：流道進口至出口的流速逐漸增大，水流對稱通過豎井兩側(cè)通道并于尾部匯合；流道出口斷面水流流速分布均勻且基本垂直于出口斷面；流道內(nèi)的水流收縮平緩均勻、流線層次分明，無任何脫流或旋渦等不良流態(tài)。

5 結(jié) 語

(1)豎井式進水流道的控制尺寸對其流道水力性能影響較為明顯。

(2)流道長度、寬度和高度等3個控制尺寸的增加顯著提高了豎井式進水流道的水力性能，增加至一定值后，控制尺寸的影響趨于平緩。

(3)邳州泵站豎井式進水流道方案控制尺寸取值合理，水流收縮平緩均勻、流線層次分明，流道內(nèi)無任何脫流或旋渦等不良流態(tài)，水頭損失小，可為水泵的高效運行提供理想的流態(tài)。

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