不同水位泵房進水流道堵塞對流速分布的影響

胡良明，柴端伍

（1．鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州450001；2．中國電建西北勘測設計研究有限公司，陜西西安710065）

泵站是跨流域與區(qū)域調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉與排澇、城市供水與排水等領(lǐng)域的重要基礎設施；而我國是世界上泵站數(shù)量最多、規(guī)模最大、類型最豐富的國家［1］。泵房進水流道的流速分布狀態(tài)直接影響泵站的安全及高效運行。近年來國內(nèi)許多學者對泵站的進水流道流速分布進行了研究，李禮等［2］研究了泵房吸水喇叭口兩種不同的導流阻渦設施對其流速分布的影響；高學平等［3］利用多島遺傳算法研究了不同類型的側(cè)式進、出水口體型對其流速分布不均勻系數(shù)、流量不均勻系數(shù)和總水頭損失系數(shù)的影響；徐磊等［4］研究了豎井式進水流道長度、寬度、高度對進水流道流速分布、流速加權(quán)平均角度及水頭損失的影響；王紫陽等［5］研究了加裝整流罩對泵站進水流道出口水流平均偏流角度的影響；葉鵬等［6］研究了進水流道不同的后壁形狀對出口斷面的流速均勻度、流速加權(quán)平均角度的影響；陳松山等［7］研究了30°斜式進水流道對不同橫斷面出口斷面的流速均勻度以及速度加權(quán)平均角度的影響。目前對泵站進水流道堵塞之后在不同水位條件下的流速分布狀況還未進行深入的研究，為此，筆者采用物理模型試驗手段，研究不同水位條件下進水流道板框濾網(wǎng)完全堵塞之后，對泵房進水流道流速分布的影響，為泵房優(yōu)化設計及安全運行提供依據(jù)。

1 工程概況

某核電站供水泵房以海水為水源。泵房由兩條對稱的進水流道組成，每條進水流道上沿水流方向依次布置板框濾網(wǎng)、濾網(wǎng)反沖洗泵、海水淡化取水泵、廠用水泵、循環(huán)水泵（以下簡稱循泵）。泵房進水流道物理模型布置見圖1。

本文主要研究在100 a一遇低潮位、平均低潮位、100 a一遇高潮位3種水位條件下泵房進水流道單側(cè)完全堵塞時的流速分布狀況。

圖1 模型平面布置示意（單位：cm）

2 物理模型設計

2．1 模型比尺及模擬范圍

根據(jù)國內(nèi)有關(guān)規(guī)范［8-11］，參照國外類似試驗規(guī)程［12］，模型設計以重力相似為主，泵房流道模型選用1∶8的正態(tài)模型，其中循泵、海水淡化水泵、濾網(wǎng)反沖洗水泵、廠用水泵單泵的原型、模型流量見表1，水位見表2。

表1 原型、模型流量換算

表2 原型、模型水位換算 m

模型吸水喇叭口處的雷諾數(shù)：

型韋伯數(shù)：

式中：D為水泵吸水喇叭口直徑，D＝2．0 m；u為對應吸水喇叭口處平均軸向流速，u＝1．41 m／s；v為水的運動黏性系數(shù)，當模型水溫約為20℃時，v＝1．01×10-6m2／s；σ為水的表面張力系數(shù)，σ＝0．072 8 N／m；ρ為水的密度，ρ＝1 000 kg／m3。

由式（1）、式（2）可知模型的雷諾數(shù)、韋伯數(shù)遠大于相關(guān)標準［8］中提出的Re＞6．0×104、We＞240 的要求。

泵房進水流道原型糙率為 0．012～0．014，按比例相應的模型流道的糙率為0．008 5～0．009 9，模型采用一級透明有機玻璃（糙率為0．008 8）進行加工制作，符合糙率要求。

模擬范圍包括：取水隧洞、匯水池、板框濾網(wǎng)、前池、旋網(wǎng)反沖洗泵、海水淡化水泵、廠用水泵、循泵及其之間的流道。

2．2 測量設備

模型循泵流量采用電磁流量計測量，測量誤差＜0．5%，海水淡化水泵、濾網(wǎng)反沖洗水泵、廠用水泵流量采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量，測量誤差＜1．5% 。渦角采用中國水利水電科學研究院研制的旋度計測量。流速測量采用三維超聲多普勒流速儀，測量誤差范圍為測量值的±0．5%。模型整體布置見圖2。

圖2 模型整體布置

2．3 流速測點布置

流速測點布置在流道循泵吸水管中心線上游1．5D（D為循泵吸水喇叭口直徑）斷面、3D斷面處，每一斷面各布設5根水平測線，分別為1、hc（與水泵吸水喇叭口處于同一高度）、2、3、4，每根水平測線等距布設5個測點，分別為 A1、A2、A3、A4，A5，B1、B2、B3、B4、B5（A為1．5D斷面，B為3D斷面）；進水池斷面等距布設7個水平測點，分別為 C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7。 測點布置見圖3。

圖3 測點布置示意（單位：cm）

3 試驗結(jié)果及分析

本試驗研究了在3種不同的水位條件下，且進水流道取水流量相同，均為2臺循泵、2臺廠用水泵（兩條流道各開1臺）、2臺濾網(wǎng)反沖洗水泵、1臺海水淡化水泵（只在左側(cè)流道開啟）開啟的工況下，不同水位對進水流道單側(cè)完全堵塞后的流速分布狀況的影響。

3．1 100 a一遇低潮位流速分布

泵房進水流道內(nèi)的控制水位為0．754 m時，循泵中心線上游1．5D斷面、3D斷面及進水池斷面垂向流速分布分別見圖4、圖5、圖6。

圖4 100 a一遇低潮位1．5D斷面流速分布

圖5 100 a一遇低潮位3D斷面流速分布

圖6 100 a一遇低潮位進水池斷面流速分布

由圖4、圖5、圖6可以看出，在100 a一遇低潮位時，若左側(cè)進水流道板框濾網(wǎng)完全堵塞，則左側(cè)進水流道1．5D、3D斷面在靠近水面處的流速明顯增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：左側(cè)進水流道板框濾網(wǎng)堵塞之后與不堵塞時相比，其進水流道寬度減少了一半，其過流面積減小，故流速增大。進水池斷面在左側(cè)流道板框濾網(wǎng)完全堵塞之后，流速由對稱分布變?yōu)椴粚ΨQ分布。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：左側(cè)進水流道板框濾網(wǎng)堵塞時，只有左側(cè)流道開啟的一臺海水淡化水泵對流速分布產(chǎn)生影響，此時循泵旋度計旋轉(zhuǎn)114圈，渦角為8．71°＞ 5°，不能滿足循泵規(guī)范運行要求［8］。

3．2 平均低潮位流速分布

進水流道內(nèi)的控制水位為0．915 m時，循泵中心線上游1．5D、3D斷面及進水池斷面垂向流速分布分別見圖 7、圖 8、圖 9。

圖7 平均低潮位1．5D斷面流速分布

圖8 平均低潮位3D斷面流速分布

圖9 平均低潮位進水池斷面流速分布

由圖7、圖8、圖9可以看出，在平均低潮位時，若左側(cè)進水流道板框濾網(wǎng)堵塞，則左側(cè)進水流道1．5D、3D斷面在靠近水面處的流速增大，但與100 a一遇低潮位相比，增大幅度明顯減小。進水池斷面在左側(cè)流道板框濾網(wǎng)堵塞后流速大體呈對稱分布，與100 a一遇低潮位相比對稱性明顯增強。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：進水流道水位升高，過流面積增大，流速減小，更加有利于進水流道的流速分布狀況的調(diào)整。此時循泵旋度計旋轉(zhuǎn)27圈，渦角為2．08°＜5°，滿足循泵規(guī)范運行要求［9］。

3．3 100 a一遇高潮位流速分布

進水流道內(nèi)的控制水位為1．359 m時，因模型在100 a一遇高潮位時封堵了1．5D斷面的測速口，故只測量了3D斷面與進水池斷面的流速分布，見圖10、圖11。

由圖10、圖11可以看出，在100 a一遇低潮位時，若左側(cè)進水流道板框濾網(wǎng)堵塞，與前兩種水位相比，則左側(cè)進水流道3D斷面在靠近水面處的流速增大幅度最小，進水池斷面在左側(cè)流道板框濾網(wǎng)堵塞后，流速分布對稱性增強。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：進水流道水位最高，過流面積最大，流速最小，更加有利于進水流道的流速分布狀況的調(diào)整。此時循泵旋度計旋轉(zhuǎn)11圈，渦角為 0．85°＜ 5°，滿足循泵規(guī)范運行的要求［8］。隨著進水流道水位的上升，旋度計旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越來越小，渦角越來越小。

3．4 3種水位的水力性能

進水流道的水力性能指標包括流速分布不均勻度V、流速加權(quán)平均角度θ(［13］，流速不均勻度、流速加權(quán)平均角度理想值分別為1與90°。3種水位下其水力性能特征見表3、表4、表5。

圖10 100 a一遇高潮位3D斷面流速分布

圖11 100 a一遇高潮位進水池斷面流速分布

表3 100 a一遇低潮位的流速分布特征

表4 平均低潮位的流速分布特征

表5 100 a一遇高潮位的流速分布特征

由表3、表4、表5可以看出，左側(cè)流道板框濾網(wǎng)完全堵塞后，在100 a一遇低潮位時，左側(cè)流道1．5D斷面流速不均勻度降低了16．1%，流速加權(quán)平均角度降低了6．7%；3D斷面流速不均勻度降低了30．8%，流速加權(quán)平均角度降低了17．4%；進水池斷面流速不均勻度降低了15．5%，流速加權(quán)平均角度降低了28．8%。在平均低潮位時，左側(cè)流道1．5D斷面流速不均勻度降低了2．0%，流速加權(quán)平均角度降低了3．3%；3D斷面流速不均勻度降低3．4%，流速加權(quán)平均角度降低了7．4%；進水池斷面流速不均勻度降低10．9%，流速加權(quán)平均角度降低了2．3%。在100 a一遇高潮位時，堵塞之后3D斷面流速不均勻度降低了1．5%，流速加權(quán)平均角度降低了1．0%；堵塞之后進水池斷面流速不均勻度降低了8．3%，流速加權(quán)平均角度降低了2．2%。

4 結(jié) 論

（1）左側(cè)進水流道板框濾網(wǎng)完全堵塞后，在100 a一遇低潮位時不能滿足循泵運行要求，隨著進水流道內(nèi)水位上升至平均低潮位或100 a一遇高潮位，均能滿足循環(huán)泵運行的要求。

（2）左側(cè)進水流道板框濾網(wǎng)完全堵塞后，進水流道水位由100 a一遇低潮位上升到100 a一遇高潮位時，1．5D、3D以及進水池斷面的流速分布不均勻度、流速加權(quán)平均角度，與進水流道不堵塞時相比，下降幅度越來越小，流速分布狀況得以改善。