泵站出水流道基本流態(tài)研究

陳國柱

摘 要：隨著人們?nèi)諠u了解與認(rèn)識水泵裝置中出水流道的地位與作用，開始重視對出水流道的研究。而出水流道的基本形態(tài)是研究人員首先要研究了解的部分。該文針對泵站出水流道的基本形態(tài)進行了研究。

關(guān)鍵詞：水泵 出水流道 基本流態(tài)

中圖分類號：TV135.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0027-02

1 泵站出水流道研究現(xiàn)狀及重要性

在過去，國內(nèi)只是對出水流道的水力損失這一塊做過實驗研究。而近年來，國內(nèi)已越來越重視出水流道對泵站裝置的作用。隨著研究的深入，對其認(rèn)識也越來越清楚，提出要對出水流道水力的設(shè)計理念與方法進行相關(guān)研究的要求。根據(jù)其相關(guān)內(nèi)容，可以知道在泵站裝置中，出水流道的相關(guān)布置會嚴(yán)重影響到其裝置效率，所以出水流道型線的變化必須要具備均勻的特點。

泵站出水流道的設(shè)計與泵站進水流道的設(shè)計都是整個泵站設(shè)計過程中十分重要的組成部分，設(shè)計的結(jié)果會對企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益產(chǎn)生直接的影響。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日益進步，這些工程設(shè)計必須跟著改進及完善。

2 泵站出水流道出水流道基本形態(tài)

2.1 虹吸式

虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一種基本形態(tài)，它通過采取破壞真空的方法在水泵機組發(fā)生停機的時候進行斷流。這種方法操作簡便可靠，能夠及時將水流切斷，而且水泵機組倒轉(zhuǎn)的時候所需要的時間很短。虹吸式出水流道可分為上升段和下降段，其中上升段的水流流動很平順，而且斷面越大，水流速度就越小。上升段與下降段之間存在駝峰段，當(dāng)水流以極快的速度越過它轉(zhuǎn)向下降段時，在較強的慣性作用下，水流會偏向流道的外側(cè)。這個時候流道的內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)范圍比較大的脫流，而且隨著下降段越來越陡，其現(xiàn)象就會越來越嚴(yán)重，最終使得流道出口段產(chǎn)生體積不小的旋渦。垂直方向上的旋渦會呈現(xiàn)以流道中心為圓心的強弱分布，圓心處最強，而流道邊壁處很弱。而在水平方向上，則沒有脫流的現(xiàn)象或者尺度比較大的旋渦。把計算流量無論是減少還是增加20%，都會出現(xiàn)流量越大，旋渦強度和影響范圍也越大的情況。而在這個過程中，出水流道的基本流態(tài)卻沒有出現(xiàn)實質(zhì)性變化，如圖1示。

2.2 直管式

直管式出水流道已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多種泵站中，其斷流方法一般為液壓控制的快速閘門以及拍門。直管式出水流道形狀比較簡單，在施工的過程中還具有比較便利的特點。而且節(jié)省了土建投資，運行比較穩(wěn)定，啟功的揚程也比較低，如圖2示。

直管式出水流道相接于水泵出口60°的彎管，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫危诹⒚媾c平面兩個方向上越來越大，流道內(nèi)的平均流速卻越來越小。直管式出水流道的流態(tài)一般是平順的，水流只在進入出水池后才會突然擴散。所以，出水池底部會有一個影響區(qū)域很大卻并不強烈的旋渦，會對流道內(nèi)的流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，流道底部靠近出口的地方會存在滯水區(qū)域。其出口斷面還沒出現(xiàn)負(fù)流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均勻，但比虹吸式流道要好。不過尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒有出現(xiàn)在流道平面的方向上。在設(shè)計流量的前提下，將計算流量減少或者增加20%時，也不會對流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.3 斜式

按照水平線與水泵軸線之間的夾角以及對各種水泵裝置揚程的適應(yīng)性，可以將斜式出水流道分為15 °、30 °和45 °三種型式，通常會和斜式軸伸泵裝置進行配套使用。斜式軸伸泵裝置早在20世紀(jì)80年代后期開始就在國內(nèi)被開發(fā)應(yīng)用，通常水流比較平順，轉(zhuǎn)彎角度不大，在低揚程大型泵站中會比較常見這種出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵導(dǎo)葉出口，其流道形態(tài)和直管式的差不多，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個方向上越來越大，如圖3示。

其流態(tài)很平順，出水池里面的流態(tài)和直管式比較像。當(dāng)水流在進入出水池之后擴散，會在其底部形成立面旋渦。事實上，三種型式的斜式出水流道的旋渦都會以不同的程度延伸到流道的內(nèi)部，對其流道出口周圍的流態(tài)產(chǎn)生影響。在15 °斜式流道出口處，會有負(fù)流速產(chǎn)生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均勻，其程度處于上面兩種出水流道之間。尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒有出現(xiàn)在斜式流道平面的方向上。在設(shè)計流量的前提下，將計算流量減少或者增加20%時，也不會對流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.4 箱涵式

出水流道基本流態(tài)常見的都是上述三種，而箱涵式出水流道一般應(yīng)用于特低揚泵站中，斷流的方式為快速閘門。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道長度、寬度、高度和后壁型線形狀以及后壁距。其中，在高度方面可分為根據(jù)類似工程確定的喇叭口到出水流道的頂板之間的懸空高度、根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)而確定的喇叭管伸入其流道時的高度。其長度會在對工作橋和泵房進行布置時而確定，出水流道的寬度會和進水流道的寬度一樣，如圖4示。

3 泵站出水流道基本流態(tài)初步計算分析

泵站出水流道的內(nèi)部流場相關(guān)數(shù)值模擬的控制方程為動量方程和連續(xù)方程、k-ε模型的k方程與ε方程。而出水流道流動模擬的數(shù)學(xué)模型邊界條件的內(nèi)容包括進口邊界、出口邊界、固壁邊界以及自由表面。一般來說，計算流場的進口會設(shè)置在水泵后面流動非常充分的導(dǎo)葉出口斷面處。按照設(shè)計要求，導(dǎo)葉出口環(huán)量非常小。所以出水流道的流場進口邊界條件為進口流速與流場進口斷面相垂直。而計算流場的出口會設(shè)置在與流道出口有一段距離的出水池里，其出口邊界條件和靜水壓力分布給出的條件差不多。

4 泵站出水流道實驗研究

在對泵站出水流道進行實驗研究時，以低揚程立式軸流泵為例。出水流道對于立式軸流泵來說，其作用是使得水流轉(zhuǎn)向有序以及擴散平緩，使得流道盡量不會發(fā)生旋渦、脫流等現(xiàn)象，而且在流道的水力損失盡可能小的情況下盡量將水流的動能多點回收。在大型立式軸流泵中，通常會與虹吸式與直管式兩種型式的出水流道進行配套使用。要確保其水泵裝置具備最好的能量性能，就要具備理想的出水流態(tài)。而理想的出水流態(tài)能夠?qū)Φ蛽P程站的效率產(chǎn)生十分大的影響。出水流道的最基本屬性就是出水流態(tài)，它能夠完全決定流道水力性能。因此，低揚程立式軸流泵在選擇出水流道形式時，可以結(jié)合數(shù)據(jù)模擬與模型試驗準(zhǔn)確分析與評價各種出水流道的基本流態(tài)。

4.1 虹吸式出水流道三維流場

將虹吸式出水流道進行優(yōu)化之后，再對其進行三維流場數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場示意圖，如圖5～6示。

由圖5、圖6可知，流道進口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進入流道。隨著虹吸式出水流道寬度正在不斷擴大，雖然上升段的各斷面高度不斷減小，但是其流速卻在不斷減小。水流的擴散和轉(zhuǎn)向角度都比較平緩，沒有發(fā)生脫流的現(xiàn)象。由于環(huán)量與水流慣性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右兩邊的流場并沒有具備對稱性。從水流順方向觀察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時有范圍不大、強度也有些弱的局部旋渦出現(xiàn)在流道右下側(cè)的下方區(qū)域立面方向上。

4.2 直管式出水流道三維流場

將直管式出水流道進行優(yōu)化之后，再對其進行三維流場數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場示意圖。

由圖可知，流道進口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進入流道。直管式出水流道轉(zhuǎn)向為90 °時，其轉(zhuǎn)彎的半徑很小，再加上環(huán)量與水流慣性的存在，使得直管式出水流道在轉(zhuǎn)向90 °之后，其流道的下降段位于左右兩邊的流場并沒有具備對稱性。從水流順方向觀察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時有范圍不大旋渦出現(xiàn)在流道下降段右下側(cè)的下方區(qū)域里。

5 結(jié)語

隨著泵站出水流道的流動形態(tài)日益受到關(guān)注，對泵站出水流道基本流態(tài)的研究勢在必行。而數(shù)值模擬的方法有利于將其流動形態(tài)揭示出來，同時也能夠為泵站出水流道提供水力設(shè)計的改進方法。泵站出水流道出口的斷面周圍都有立面方向上的旋渦，能夠影響其流速的分布。因此，還需要更加深入研究泵站出水流道。

參考文獻

[1] 陸林廣，劉麗君，劉軍.泵站出水流道基本流態(tài)分析[J].水利學(xué)報，2000（3）：45-46.

[2] 陸林廣，陳阿萍，黃金軍，等.低揚程立式軸流泵出水流道基本流態(tài)及水力性能的比較[J].南腔北調(diào)與水利科技，2007（4）：79-80.endprint

摘 要：隨著人們?nèi)諠u了解與認(rèn)識水泵裝置中出水流道的地位與作用，開始重視對出水流道的研究。而出水流道的基本形態(tài)是研究人員首先要研究了解的部分。該文針對泵站出水流道的基本形態(tài)進行了研究。

關(guān)鍵詞：水泵 出水流道 基本流態(tài)

中圖分類號：TV135.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0027-02

1 泵站出水流道研究現(xiàn)狀及重要性

在過去，國內(nèi)只是對出水流道的水力損失這一塊做過實驗研究。而近年來，國內(nèi)已越來越重視出水流道對泵站裝置的作用。隨著研究的深入，對其認(rèn)識也越來越清楚，提出要對出水流道水力的設(shè)計理念與方法進行相關(guān)研究的要求。根據(jù)其相關(guān)內(nèi)容，可以知道在泵站裝置中，出水流道的相關(guān)布置會嚴(yán)重影響到其裝置效率，所以出水流道型線的變化必須要具備均勻的特點。

泵站出水流道的設(shè)計與泵站進水流道的設(shè)計都是整個泵站設(shè)計過程中十分重要的組成部分，設(shè)計的結(jié)果會對企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益產(chǎn)生直接的影響。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日益進步，這些工程設(shè)計必須跟著改進及完善。

2 泵站出水流道出水流道基本形態(tài)

2.1 虹吸式

虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一種基本形態(tài)，它通過采取破壞真空的方法在水泵機組發(fā)生停機的時候進行斷流。這種方法操作簡便可靠，能夠及時將水流切斷，而且水泵機組倒轉(zhuǎn)的時候所需要的時間很短。虹吸式出水流道可分為上升段和下降段，其中上升段的水流流動很平順，而且斷面越大，水流速度就越小。上升段與下降段之間存在駝峰段，當(dāng)水流以極快的速度越過它轉(zhuǎn)向下降段時，在較強的慣性作用下，水流會偏向流道的外側(cè)。這個時候流道的內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)范圍比較大的脫流，而且隨著下降段越來越陡，其現(xiàn)象就會越來越嚴(yán)重，最終使得流道出口段產(chǎn)生體積不小的旋渦。垂直方向上的旋渦會呈現(xiàn)以流道中心為圓心的強弱分布，圓心處最強，而流道邊壁處很弱。而在水平方向上，則沒有脫流的現(xiàn)象或者尺度比較大的旋渦。把計算流量無論是減少還是增加20%，都會出現(xiàn)流量越大，旋渦強度和影響范圍也越大的情況。而在這個過程中，出水流道的基本流態(tài)卻沒有出現(xiàn)實質(zhì)性變化，如圖1示。

2.2 直管式

直管式出水流道已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多種泵站中，其斷流方法一般為液壓控制的快速閘門以及拍門。直管式出水流道形狀比較簡單，在施工的過程中還具有比較便利的特點。而且節(jié)省了土建投資，運行比較穩(wěn)定，啟功的揚程也比較低，如圖2示。

直管式出水流道相接于水泵出口60°的彎管，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個方向上越來越大，流道內(nèi)的平均流速卻越來越小。直管式出水流道的流態(tài)一般是平順的，水流只在進入出水池后才會突然擴散。所以，出水池底部會有一個影響區(qū)域很大卻并不強烈的旋渦，會對流道內(nèi)的流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，流道底部靠近出口的地方會存在滯水區(qū)域。其出口斷面還沒出現(xiàn)負(fù)流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均勻，但比虹吸式流道要好。不過尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒有出現(xiàn)在流道平面的方向上。在設(shè)計流量的前提下，將計算流量減少或者增加20%時，也不會對流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.3 斜式

按照水平線與水泵軸線之間的夾角以及對各種水泵裝置揚程的適應(yīng)性，可以將斜式出水流道分為15 °、30 °和45 °三種型式，通常會和斜式軸伸泵裝置進行配套使用。斜式軸伸泵裝置早在20世紀(jì)80年代后期開始就在國內(nèi)被開發(fā)應(yīng)用，通常水流比較平順，轉(zhuǎn)彎角度不大，在低揚程大型泵站中會比較常見這種出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵導(dǎo)葉出口，其流道形態(tài)和直管式的差不多，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個方向上越來越大，如圖3示。

其流態(tài)很平順，出水池里面的流態(tài)和直管式比較像。當(dāng)水流在進入出水池之后擴散，會在其底部形成立面旋渦。事實上，三種型式的斜式出水流道的旋渦都會以不同的程度延伸到流道的內(nèi)部，對其流道出口周圍的流態(tài)產(chǎn)生影響。在15 °斜式流道出口處，會有負(fù)流速產(chǎn)生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均勻，其程度處于上面兩種出水流道之間。尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒有出現(xiàn)在斜式流道平面的方向上。在設(shè)計流量的前提下，將計算流量減少或者增加20%時，也不會對流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.4 箱涵式

出水流道基本流態(tài)常見的都是上述三種，而箱涵式出水流道一般應(yīng)用于特低揚泵站中，斷流的方式為快速閘門。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道長度、寬度、高度和后壁型線形狀以及后壁距。其中，在高度方面可分為根據(jù)類似工程確定的喇叭口到出水流道的頂板之間的懸空高度、根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)而確定的喇叭管伸入其流道時的高度。其長度會在對工作橋和泵房進行布置時而確定，出水流道的寬度會和進水流道的寬度一樣，如圖4示。

3 泵站出水流道基本流態(tài)初步計算分析

泵站出水流道的內(nèi)部流場相關(guān)數(shù)值模擬的控制方程為動量方程和連續(xù)方程、k-ε模型的k方程與ε方程。而出水流道流動模擬的數(shù)學(xué)模型邊界條件的內(nèi)容包括進口邊界、出口邊界、固壁邊界以及自由表面。一般來說，計算流場的進口會設(shè)置在水泵后面流動非常充分的導(dǎo)葉出口斷面處。按照設(shè)計要求，導(dǎo)葉出口環(huán)量非常小。所以出水流道的流場進口邊界條件為進口流速與流場進口斷面相垂直。而計算流場的出口會設(shè)置在與流道出口有一段距離的出水池里，其出口邊界條件和靜水壓力分布給出的條件差不多。

4 泵站出水流道實驗研究

在對泵站出水流道進行實驗研究時，以低揚程立式軸流泵為例。出水流道對于立式軸流泵來說，其作用是使得水流轉(zhuǎn)向有序以及擴散平緩，使得流道盡量不會發(fā)生旋渦、脫流等現(xiàn)象，而且在流道的水力損失盡可能小的情況下盡量將水流的動能多點回收。在大型立式軸流泵中，通常會與虹吸式與直管式兩種型式的出水流道進行配套使用。要確保其水泵裝置具備最好的能量性能，就要具備理想的出水流態(tài)。而理想的出水流態(tài)能夠?qū)Φ蛽P程站的效率產(chǎn)生十分大的影響。出水流道的最基本屬性就是出水流態(tài)，它能夠完全決定流道水力性能。因此，低揚程立式軸流泵在選擇出水流道形式時，可以結(jié)合數(shù)據(jù)模擬與模型試驗準(zhǔn)確分析與評價各種出水流道的基本流態(tài)。

4.1 虹吸式出水流道三維流場

將虹吸式出水流道進行優(yōu)化之后，再對其進行三維流場數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場示意圖，如圖5～6示。

由圖5、圖6可知，流道進口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進入流道。隨著虹吸式出水流道寬度正在不斷擴大，雖然上升段的各斷面高度不斷減小，但是其流速卻在不斷減小。水流的擴散和轉(zhuǎn)向角度都比較平緩，沒有發(fā)生脫流的現(xiàn)象。由于環(huán)量與水流慣性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右兩邊的流場并沒有具備對稱性。從水流順方向觀察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時有范圍不大、強度也有些弱的局部旋渦出現(xiàn)在流道右下側(cè)的下方區(qū)域立面方向上。

4.2 直管式出水流道三維流場

將直管式出水流道進行優(yōu)化之后，再對其進行三維流場數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場示意圖。

由圖可知，流道進口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進入流道。直管式出水流道轉(zhuǎn)向為90 °時，其轉(zhuǎn)彎的半徑很小，再加上環(huán)量與水流慣性的存在，使得直管式出水流道在轉(zhuǎn)向90 °之后，其流道的下降段位于左右兩邊的流場并沒有具備對稱性。從水流順方向觀察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時有范圍不大旋渦出現(xiàn)在流道下降段右下側(cè)的下方區(qū)域里。

5 結(jié)語

隨著泵站出水流道的流動形態(tài)日益受到關(guān)注，對泵站出水流道基本流態(tài)的研究勢在必行。而數(shù)值模擬的方法有利于將其流動形態(tài)揭示出來，同時也能夠為泵站出水流道提供水力設(shè)計的改進方法。泵站出水流道出口的斷面周圍都有立面方向上的旋渦，能夠影響其流速的分布。因此，還需要更加深入研究泵站出水流道。

參考文獻

[1] 陸林廣，劉麗君，劉軍.泵站出水流道基本流態(tài)分析[J].水利學(xué)報，2000（3）：45-46.

[2] 陸林廣，陳阿萍，黃金軍，等.低揚程立式軸流泵出水流道基本流態(tài)及水力性能的比較[J].南腔北調(diào)與水利科技，2007（4）：79-80.endprint

摘 要：隨著人們?nèi)諠u了解與認(rèn)識水泵裝置中出水流道的地位與作用，開始重視對出水流道的研究。而出水流道的基本形態(tài)是研究人員首先要研究了解的部分。該文針對泵站出水流道的基本形態(tài)進行了研究。

關(guān)鍵詞：水泵 出水流道 基本流態(tài)

中圖分類號：TV135.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0027-02

1 泵站出水流道研究現(xiàn)狀及重要性

在過去，國內(nèi)只是對出水流道的水力損失這一塊做過實驗研究。而近年來，國內(nèi)已越來越重視出水流道對泵站裝置的作用。隨著研究的深入，對其認(rèn)識也越來越清楚，提出要對出水流道水力的設(shè)計理念與方法進行相關(guān)研究的要求。根據(jù)其相關(guān)內(nèi)容，可以知道在泵站裝置中，出水流道的相關(guān)布置會嚴(yán)重影響到其裝置效率，所以出水流道型線的變化必須要具備均勻的特點。

泵站出水流道的設(shè)計與泵站進水流道的設(shè)計都是整個泵站設(shè)計過程中十分重要的組成部分，設(shè)計的結(jié)果會對企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益產(chǎn)生直接的影響。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日益進步，這些工程設(shè)計必須跟著改進及完善。

2 泵站出水流道出水流道基本形態(tài)

2.1 虹吸式

虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一種基本形態(tài)，它通過采取破壞真空的方法在水泵機組發(fā)生停機的時候進行斷流。這種方法操作簡便可靠，能夠及時將水流切斷，而且水泵機組倒轉(zhuǎn)的時候所需要的時間很短。虹吸式出水流道可分為上升段和下降段，其中上升段的水流流動很平順，而且斷面越大，水流速度就越小。上升段與下降段之間存在駝峰段，當(dāng)水流以極快的速度越過它轉(zhuǎn)向下降段時，在較強的慣性作用下，水流會偏向流道的外側(cè)。這個時候流道的內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)范圍比較大的脫流，而且隨著下降段越來越陡，其現(xiàn)象就會越來越嚴(yán)重，最終使得流道出口段產(chǎn)生體積不小的旋渦。垂直方向上的旋渦會呈現(xiàn)以流道中心為圓心的強弱分布，圓心處最強，而流道邊壁處很弱。而在水平方向上，則沒有脫流的現(xiàn)象或者尺度比較大的旋渦。把計算流量無論是減少還是增加20%，都會出現(xiàn)流量越大，旋渦強度和影響范圍也越大的情況。而在這個過程中，出水流道的基本流態(tài)卻沒有出現(xiàn)實質(zhì)性變化，如圖1示。

2.2 直管式

直管式出水流道已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多種泵站中，其斷流方法一般為液壓控制的快速閘門以及拍門。直管式出水流道形狀比較簡單，在施工的過程中還具有比較便利的特點。而且節(jié)省了土建投資，運行比較穩(wěn)定，啟功的揚程也比較低，如圖2示。

直管式出水流道相接于水泵出口60°的彎管，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個方向上越來越大，流道內(nèi)的平均流速卻越來越小。直管式出水流道的流態(tài)一般是平順的，水流只在進入出水池后才會突然擴散。所以，出水池底部會有一個影響區(qū)域很大卻并不強烈的旋渦，會對流道內(nèi)的流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，流道底部靠近出口的地方會存在滯水區(qū)域。其出口斷面還沒出現(xiàn)負(fù)流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均勻，但比虹吸式流道要好。不過尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒有出現(xiàn)在流道平面的方向上。在設(shè)計流量的前提下，將計算流量減少或者增加20%時，也不會對流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.3 斜式

按照水平線與水泵軸線之間的夾角以及對各種水泵裝置揚程的適應(yīng)性，可以將斜式出水流道分為15 °、30 °和45 °三種型式，通常會和斜式軸伸泵裝置進行配套使用。斜式軸伸泵裝置早在20世紀(jì)80年代后期開始就在國內(nèi)被開發(fā)應(yīng)用，通常水流比較平順，轉(zhuǎn)彎角度不大，在低揚程大型泵站中會比較常見這種出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵導(dǎo)葉出口，其流道形態(tài)和直管式的差不多，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫危诹⒚媾c平面兩個方向上越來越大，如圖3示。

其流態(tài)很平順，出水池里面的流態(tài)和直管式比較像。當(dāng)水流在進入出水池之后擴散，會在其底部形成立面旋渦。事實上，三種型式的斜式出水流道的旋渦都會以不同的程度延伸到流道的內(nèi)部，對其流道出口周圍的流態(tài)產(chǎn)生影響。在15 °斜式流道出口處，會有負(fù)流速產(chǎn)生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均勻，其程度處于上面兩種出水流道之間。尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒有出現(xiàn)在斜式流道平面的方向上。在設(shè)計流量的前提下，將計算流量減少或者增加20%時，也不會對流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.4 箱涵式

出水流道基本流態(tài)常見的都是上述三種，而箱涵式出水流道一般應(yīng)用于特低揚泵站中，斷流的方式為快速閘門。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道長度、寬度、高度和后壁型線形狀以及后壁距。其中，在高度方面可分為根據(jù)類似工程確定的喇叭口到出水流道的頂板之間的懸空高度、根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)而確定的喇叭管伸入其流道時的高度。其長度會在對工作橋和泵房進行布置時而確定，出水流道的寬度會和進水流道的寬度一樣，如圖4示。

3 泵站出水流道基本流態(tài)初步計算分析

泵站出水流道的內(nèi)部流場相關(guān)數(shù)值模擬的控制方程為動量方程和連續(xù)方程、k-ε模型的k方程與ε方程。而出水流道流動模擬的數(shù)學(xué)模型邊界條件的內(nèi)容包括進口邊界、出口邊界、固壁邊界以及自由表面。一般來說，計算流場的進口會設(shè)置在水泵后面流動非常充分的導(dǎo)葉出口斷面處。按照設(shè)計要求，導(dǎo)葉出口環(huán)量非常小。所以出水流道的流場進口邊界條件為進口流速與流場進口斷面相垂直。而計算流場的出口會設(shè)置在與流道出口有一段距離的出水池里，其出口邊界條件和靜水壓力分布給出的條件差不多。

4 泵站出水流道實驗研究

在對泵站出水流道進行實驗研究時，以低揚程立式軸流泵為例。出水流道對于立式軸流泵來說，其作用是使得水流轉(zhuǎn)向有序以及擴散平緩，使得流道盡量不會發(fā)生旋渦、脫流等現(xiàn)象，而且在流道的水力損失盡可能小的情況下盡量將水流的動能多點回收。在大型立式軸流泵中，通常會與虹吸式與直管式兩種型式的出水流道進行配套使用。要確保其水泵裝置具備最好的能量性能，就要具備理想的出水流態(tài)。而理想的出水流態(tài)能夠?qū)Φ蛽P程站的效率產(chǎn)生十分大的影響。出水流道的最基本屬性就是出水流態(tài)，它能夠完全決定流道水力性能。因此，低揚程立式軸流泵在選擇出水流道形式時，可以結(jié)合數(shù)據(jù)模擬與模型試驗準(zhǔn)確分析與評價各種出水流道的基本流態(tài)。

4.1 虹吸式出水流道三維流場

將虹吸式出水流道進行優(yōu)化之后，再對其進行三維流場數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場示意圖，如圖5～6示。

由圖5、圖6可知，流道進口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進入流道。隨著虹吸式出水流道寬度正在不斷擴大，雖然上升段的各斷面高度不斷減小，但是其流速卻在不斷減小。水流的擴散和轉(zhuǎn)向角度都比較平緩，沒有發(fā)生脫流的現(xiàn)象。由于環(huán)量與水流慣性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右兩邊的流場并沒有具備對稱性。從水流順方向觀察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時有范圍不大、強度也有些弱的局部旋渦出現(xiàn)在流道右下側(cè)的下方區(qū)域立面方向上。

4.2 直管式出水流道三維流場

將直管式出水流道進行優(yōu)化之后，再對其進行三維流場數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場示意圖。

由圖可知，流道進口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進入流道。直管式出水流道轉(zhuǎn)向為90 °時，其轉(zhuǎn)彎的半徑很小，再加上環(huán)量與水流慣性的存在，使得直管式出水流道在轉(zhuǎn)向90 °之后，其流道的下降段位于左右兩邊的流場并沒有具備對稱性。從水流順方向觀察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時有范圍不大旋渦出現(xiàn)在流道下降段右下側(cè)的下方區(qū)域里。

5 結(jié)語

隨著泵站出水流道的流動形態(tài)日益受到關(guān)注，對泵站出水流道基本流態(tài)的研究勢在必行。而數(shù)值模擬的方法有利于將其流動形態(tài)揭示出來，同時也能夠為泵站出水流道提供水力設(shè)計的改進方法。泵站出水流道出口的斷面周圍都有立面方向上的旋渦，能夠影響其流速的分布。因此，還需要更加深入研究泵站出水流道。

參考文獻

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