中隔墩長(zhǎng)度對(duì)斜式軸伸泵裝置出水流道水力特性的影響

徐 磊，夏 斌，施 偉，劉 軍，顏士開(kāi)，陸林廣

中隔墩長(zhǎng)度對(duì)斜式軸伸泵裝置出水流道水力特性的影響

徐 磊1，夏 斌1，施 偉2，劉 軍2，顏士開(kāi)1，陸林廣1

（1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，南京 210019）

為研究大型低揚(yáng)程泵站斜式出水流道水力特性，采用數(shù)值模擬方法對(duì)某斜20°軸伸泵裝置三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)斜式出水流道內(nèi)存在嚴(yán)重的偏流問(wèn)題，基于4種計(jì)算方案的數(shù)值模擬結(jié)果分析了偏流的成因，在研究了中隔墩長(zhǎng)度對(duì)斜式出水流道流態(tài)和水頭損失影響的基礎(chǔ)上提出了解決偏流的措施，并得到模型試驗(yàn)的驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：順?biāo)鞣较蚩?，中隔墩長(zhǎng)度為14 m時(shí)的斜式出水流道內(nèi)的主流明顯偏于左側(cè)，在流道右側(cè)下部存在較大范圍的旋渦區(qū)；導(dǎo)葉體出口具有較大周向速度分量的水流呈螺旋狀進(jìn)入“S”形彎曲的斜式出水流道，兩者相互作用導(dǎo)致斜式出水流道產(chǎn)生偏流；隨著中隔墩長(zhǎng)度的增加，斜式出水流道左右孔的偏流系數(shù)逐漸減小、流道水頭損失呈先減小再增大趨勢(shì)，當(dāng)中隔墩加長(zhǎng)至23.35 m時(shí)出水流道左右兩側(cè)的出流流量達(dá)到基本相等；采用長(zhǎng)中隔墩斜式出水流道的泵裝置模型試驗(yàn)最優(yōu)工況點(diǎn)效率達(dá)到80.56%，泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，取得了預(yù)期的糾偏效果，得到有關(guān)工程設(shè)計(jì)院的認(rèn)可，并應(yīng)用于工程實(shí)際。

泵；數(shù)值模擬；流場(chǎng)；斜式軸伸泵裝置；出水流道；中隔墩

0 引 言

低揚(yáng)程泵站在水資源調(diào)配、城市排澇、水環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。斜式軸伸泵裝置是大型低揚(yáng)程泵站的主要泵裝置型式之一，在上海、浙江和廣東等地的一些已投入運(yùn)行或在建的大型泵站中得到應(yīng)用[1-3]。

出水流道是斜式軸伸泵裝置的重要組成部分，其水力性能的好壞直接影響到泵裝置運(yùn)行的可靠性和高效性。目前對(duì)斜式軸伸泵裝置及進(jìn)、出水流道水力性能方面已有一些研究：文獻(xiàn)[3-4]計(jì)算了斜15°軸流泵裝置在無(wú)水泵轉(zhuǎn)輪情況下流道的水流流動(dòng)狀況與水力損失；文獻(xiàn)[5]對(duì)某排澇泵站斜式軸伸泵裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到該泵站斜30°泵裝置性能方案優(yōu)于斜20°的結(jié)論；文獻(xiàn)[6]對(duì)泵軸傾角為15°、30°和45°的斜式出水流道進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化和水力性能比較研究；文獻(xiàn)[7]根據(jù)對(duì)某斜15°出水流道三維數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，指出并改正了該流道的設(shè)計(jì)不當(dāng)之處；文獻(xiàn)[8]比較了泵軸傾角為15°、20°和25°的斜式出水流道水力性能；文獻(xiàn)[9]對(duì)斜式軸流泵站進(jìn)行了全流道數(shù)值模擬，提出了優(yōu)化方案，減弱了水流沖撞等不良流態(tài)；文獻(xiàn)[10-13]對(duì)泵軸傾角為15°和30°的斜式軸伸泵裝置分別進(jìn)行了模型試驗(yàn)，測(cè)試泵裝置的水力性能。

已有文獻(xiàn)主要是對(duì)斜式軸伸泵裝置進(jìn)行流道水力設(shè)計(jì)和泵裝置水力性能模型試驗(yàn)研究，未涉及斜式軸伸泵裝置出水流道內(nèi)偏流問(wèn)題和中隔墩對(duì)出水流道流態(tài)及水力性能影響的研究。本文研究了采用斜20°軸伸泵裝置的大型低揚(yáng)程泵站A，發(fā)現(xiàn)斜式軸伸泵裝置出水流道（以下簡(jiǎn)稱“斜式出水流道”）內(nèi)存在嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象，在分析了斜式出水流道內(nèi)產(chǎn)生偏流成因的基礎(chǔ)上，提出了采用延長(zhǎng)中隔墩長(zhǎng)度解決斜式出水流道偏流問(wèn)題的工程措施，研究了中隔墩長(zhǎng)度對(duì)斜式出水流道水力特性的影響，并對(duì)研究成果進(jìn)行了泵裝置模型試驗(yàn)檢驗(yàn)。

1 斜式軸伸泵裝置基本參數(shù)

大型低揚(yáng)程泵站A擬采用斜20°軸伸泵裝置，單泵設(shè)計(jì)流量=50 m3/s，所采用水泵模型為TJ04-ZL-20，水泵葉輪直徑0=3.65 m，水泵轉(zhuǎn)速=107 r/min。泵站A斜式軸伸泵裝置的單線圖如圖1所示，其流道主要控制尺寸為：進(jìn)水流道檢修閘門門槽中心線至水泵葉輪中心線的距離為15 m，出水流道工作閘門門槽中心線至水泵葉輪中心線的距離為26 m，進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的寬度和高度分別為9.6和5.6 m，出水流道出口斷面的寬度和高度分別為9.6和5.5 m；考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和閘門布置的需要，在出水流道出口中部設(shè)長(zhǎng)度為14 m、厚度為1.4 m的中隔墩，中隔墩將斜式出水流道分為左、右2孔。

注：圖中尺寸單位為mm。Φ為直徑。

2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程

斜式軸伸泵裝置內(nèi)部為三維不可壓縮粘性湍流流動(dòng)，控制方程采用了連續(xù)性方程與Navier-Stokes方程（N-S方程）[14-16]。應(yīng)用Fluent軟件求解方程組，選擇Standard-湍流模型使控制方程組封閉[17-18]，應(yīng)用SIMPLEC算法進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算的壓力和速度耦合。經(jīng)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，Standard-湍流模型和SIMPLEC算法在水力機(jī)械流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中展現(xiàn)了較好的適用性[19-22]。

2.2 邊界條件

斜式軸伸泵裝置三維湍流流場(chǎng)計(jì)算的進(jìn)口邊界設(shè)置在前池中，本文計(jì)算未考慮泵站的不對(duì)稱運(yùn)行，故前池流動(dòng)按無(wú)橫向流速處理；進(jìn)口邊界為一垂直斷面且距進(jìn)水流道進(jìn)口斷面有足夠遠(yuǎn)的距離，該斷面上的流速可認(rèn)為是均勻分布，采用速度進(jìn)口邊界條件，流速由泵裝置設(shè)計(jì)流量和進(jìn)口邊界斷面面積計(jì)算。泵裝置流場(chǎng)計(jì)算的出口邊界設(shè)置在出水池中，該斷面為一垂直斷面且距離出水流道出口斷面足夠遠(yuǎn)，以保證該斷面處的水流流動(dòng)充分發(fā)展，采用自由出流邊界條件。泵裝置中的前池底壁、進(jìn)水流道邊壁、葉輪室邊壁、導(dǎo)葉體邊壁、出水流道邊壁和出水池底壁等均為固壁，采用固壁函數(shù)進(jìn)行處理[23]。水泵葉輪及輪轂為旋轉(zhuǎn)壁面，其旋轉(zhuǎn)方向和速度與原型水泵工作參數(shù)一致。泵站前池和出水池表面不計(jì)大氣層的熱交換，忽略外界流動(dòng)造成的相關(guān)力影響，相關(guān)矢量可視為對(duì)稱平面處理[23]。

2.3 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格剖分

斜式軸伸泵裝置三維流場(chǎng)數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域包括前池、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、出水流道和出水池等6個(gè)部分（圖2）。斜式軸伸泵裝置中的泵段及進(jìn)、出水流道的三維形體及水流流動(dòng)復(fù)雜，采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分；前池和出水池的三維形體及水流流動(dòng)簡(jiǎn)單，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖2。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，斜式軸伸泵裝置三維流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為348萬(wàn)。

圖2 泵裝置流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格圖

3 斜式軸伸泵裝置出水流道的偏流現(xiàn)象

對(duì)泵站A斜式軸伸泵裝置行了三維湍流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算，得到設(shè)計(jì)流量時(shí)的泵裝置流場(chǎng)圖（圖3）?？梢钥闯觯盒笔竭M(jìn)水流道內(nèi)的水流收縮均勻、流速變化平緩，流道出口水流的流速分布均勻且基本垂直于出口斷面，為水泵葉輪運(yùn)行提供較為理想的進(jìn)水流態(tài)；經(jīng)水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)作用，水泵葉輪出口水流具有較大的周向速度分量[24]，水流以較大的切向速度進(jìn)入導(dǎo)葉體；經(jīng)水泵導(dǎo)葉體對(duì)水流方向的調(diào)整，消減了部分周向速度分量，但導(dǎo)葉體出口水流仍有較大周向速度分量，據(jù)初步研究結(jié)果，導(dǎo)葉體出口水流的周向速度分量約為導(dǎo)葉體進(jìn)口的1/3[25]；受導(dǎo)葉體出口水流周向速度分量的影響，水流以螺旋狀進(jìn)入斜式出水流道；由于斜式出水流道呈“S”形彎曲，水流進(jìn)入流道后經(jīng)歷了先向上、后向下、再向上的連續(xù)轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)，受水流流動(dòng)慣性的作用在流道下部產(chǎn)生旋渦（圖4）；在水流旋轉(zhuǎn)和流道彎曲的共同作用下，順?biāo)鞣较蚩矗鏊鞯纼?nèi)的主流偏于流道左側(cè)，同時(shí)在出水流道直線段出口右側(cè)下部出現(xiàn)了較大范圍的旋渦區(qū)。

圖3 斜式軸伸泵裝置流場(chǎng)圖

圖4 斜式出水流道內(nèi)旋渦產(chǎn)生的示意圖

圖5所示為斜式出水流道上、中、下3個(gè)橫向剖面的流場(chǎng)?？梢钥吹绞軐?dǎo)葉體出口水流周向速度分量的影響，在出水流道進(jìn)口處，上橫剖面水流流向偏左，下橫剖面水流流向偏右，中橫剖面水流無(wú)偏向；上橫剖面流道左右側(cè)均無(wú)旋渦，水流流動(dòng)較為平順；中橫剖面流道左側(cè)水流平順，流道右側(cè)中部存在局部旋渦區(qū)；下橫剖面流道右側(cè)存在較大范圍的旋渦區(qū)；3個(gè)橫剖面左側(cè)水流平均流速均高于右孔。由此可見(jiàn)，斜式出水流道內(nèi)的右下側(cè)區(qū)域存在較大范圍的旋渦區(qū)，主流明顯偏于流道左側(cè)。

圖5 出水流道橫向剖面流場(chǎng)圖

為了定量表達(dá)斜式出水流道偏流的程度，本文引入了出水流道偏流系數(shù)：

式中Q、Q分別為出水流道左右2孔的出流量，L/s。

當(dāng)>1時(shí)，表示出水流道左孔的出流量大于右孔；當(dāng)<1時(shí)，表示出水流道左孔的出流量小于右孔；當(dāng)=1時(shí)，表示出水流道左、右2孔出流量相等。根據(jù)斜式軸伸泵裝置出水流道三維流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，該流道主流偏于流道左側(cè)，偏流系數(shù)＝2.738，左孔出流量明顯大于右孔。

上述斜式出水流道流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果在某泵站實(shí)際運(yùn)行中得到證實(shí)。大型低揚(yáng)程泵站B采用斜式軸伸泵裝置，該站在本文研究過(guò)程中建成并進(jìn)行了試運(yùn)行。在試運(yùn)行中觀察到如下現(xiàn)象：該站出水流道左側(cè)水面的波動(dòng)較為劇烈，并且伴有較大的拍門撞擊聲，而出水流道右側(cè)水面則較為平靜，且聽(tīng)不到拍門撞擊聲。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明大部分流量主要集中于左孔流出，表明斜式出水流道內(nèi)確實(shí)存在主流左偏的問(wèn)題。

4 斜式軸伸泵裝置出水流道偏流現(xiàn)象的成因分析

經(jīng)初步分析，斜式出水流道內(nèi)的偏流現(xiàn)象主要受到2個(gè)因素的影響：一是導(dǎo)葉體出口水流具有較大周向速度分量；二是斜式出水流道的三維形體呈“S”形彎曲。具有旋轉(zhuǎn)的水流進(jìn)入“S”形彎曲的斜式出水流道，兩者相互作用，導(dǎo)致流道內(nèi)偏流現(xiàn)象的發(fā)生。

為了證實(shí)斜式出水流道產(chǎn)生偏流現(xiàn)象的成因，本文設(shè)計(jì)了4個(gè)計(jì)算方案：1）有旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入平直型出水流道；2）有旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入“S”形彎曲出水流道；3）無(wú)旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入平直型出水流道；4）無(wú)旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入“S”形彎曲出水流道?！癝”形彎曲出水流道的幾何體型特征是先向上、后向下、再向上的連續(xù)轉(zhuǎn)彎（圖6），流道彎曲的原因是為了滿足泵軸穿過(guò)出水流道的要求；這種出水流道主要用于斜式軸伸泵裝置、臥式后軸伸泵裝置。平直型出水流道的幾何體型特征是順直不彎曲（圖7a），常用于前置豎井式貫流泵裝置、前置燈泡式貫流泵裝置和臥式前軸伸泵裝置。

為了排除其它因素的影響，本文將出水流道從泵裝置中分離出來(lái)進(jìn)行三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬[26]，其計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水直管、出水流道和出水池等3個(gè)部分（圖6）。進(jìn)水直管進(jìn)口斷面處采用速度進(jìn)口邊界條件，同時(shí)在此處設(shè)置一定旋轉(zhuǎn)速度；若為無(wú)旋轉(zhuǎn)水流，則水流旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為0；出水池出口斷面處水流充分發(fā)展，采用自由出流邊界條件；進(jìn)水直管邊壁、流道邊壁和出水池底壁等均按固壁定律進(jìn)行處理；出水池的表面為自由水面，不計(jì)大氣交換和忽略外界流動(dòng)造成的相關(guān)力影響，可視為對(duì)稱平面處理[18]。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)出水流道進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)進(jìn)水直管段和出水池進(jìn)行網(wǎng)格剖分。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為102萬(wàn)即可滿足要求。出水流道計(jì)算區(qū)域及其網(wǎng)格剖分情況示于圖6。

圖6 出水流道流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格圖

采用三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬方法計(jì)算得到的4個(gè)計(jì)算方案設(shè)計(jì)流量時(shí)的出水流道流場(chǎng)圖（圖7）。可以看到，流道進(jìn)口水流無(wú)旋轉(zhuǎn)時(shí)（圖7a、7b），平直型出水流道和“S”形彎曲出水流道內(nèi)未出現(xiàn)偏流現(xiàn)象；流道進(jìn)口水流有旋轉(zhuǎn)時(shí)（圖7c、7d），水流呈螺旋狀流入出水流道，平直型出水流道內(nèi)無(wú)偏流現(xiàn)象，而“S”形彎曲出水流道內(nèi)的主流明顯偏于流道左側(cè)，同時(shí)在流道右側(cè)下部區(qū)域出現(xiàn)較大范圍的旋渦區(qū)。

圖7 4種出水流道計(jì)算方案的流場(chǎng)

由上述結(jié)果可知，對(duì)于平直型出水流道，無(wú)論是流道進(jìn)口水流是否旋轉(zhuǎn)，流道內(nèi)均未出現(xiàn)偏流；對(duì)于“S”形彎曲出水流道，當(dāng)流道進(jìn)口水流無(wú)旋轉(zhuǎn)時(shí)流道內(nèi)無(wú)偏流，而當(dāng)流道進(jìn)口水流有旋轉(zhuǎn)時(shí)則出現(xiàn)明顯偏流。由此可以得出，流道進(jìn)口水流旋轉(zhuǎn)和出水流道為“S”形彎曲是斜式出水流道產(chǎn)生偏流的2個(gè)必要條件，偏流是這兩者相互作用的結(jié)果。

5　不同中隔墩長(zhǎng)度時(shí)斜式出水流道水力性能

在對(duì)斜式出水流道三維流場(chǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)，加長(zhǎng)中隔墩長(zhǎng)度可以改善出水流道內(nèi)的流態(tài)、減小出水流道內(nèi)水流的偏流程度。所以，為了抑制流道進(jìn)口水流的旋轉(zhuǎn)對(duì)斜式出水流道流場(chǎng)的不良影響，本文提出采用加長(zhǎng)中隔墩長(zhǎng)度的措施解決斜式出水流道的偏流問(wèn)題。

大型低揚(yáng)程泵站A的斜式出水流道出口斷面的寬度為9.6 m，流道出口處布置了工作閘門和事故閘門。為減小單扇閘門的寬度，該站在出水流道閘門段中間設(shè)置了長(zhǎng)度為14 m的中隔墩（圖1）。在此中隔墩基礎(chǔ)上逐漸增加長(zhǎng)度，形成了7個(gè)不同中隔墩長(zhǎng)度方案的斜式出水流道，其流道單線圖見(jiàn)圖8。7個(gè)方案的中隔墩長(zhǎng)度列于表1。

圖8 不同中隔墩長(zhǎng)度的斜式出水流道單線圖

對(duì)泵站A斜式出水流道7個(gè)方案設(shè)計(jì)流量時(shí)的三維流場(chǎng)分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算得到各方案的偏流系數(shù)和流道水頭損失列于表1?？梢钥吹剑褐懈舳臻L(zhǎng)度對(duì)偏流系數(shù)的影響非常顯著，對(duì)出水流道的水頭損失也有較大影響，流道水頭損失隨中墩長(zhǎng)度增加先減小再增大；中隔墩長(zhǎng)度小于22 m時(shí)，偏流系數(shù)隨著中隔墩長(zhǎng)度的增加下降很明顯；當(dāng)中隔墩長(zhǎng)度達(dá)到23 m時(shí)，偏流系數(shù)的變化變緩并接近于1，表明出水流道左孔與右孔的出流流量基本相等；若繼續(xù)增加中隔墩長(zhǎng)度，則偏流系數(shù)<1，表明出水流道左孔的出流量小于右孔，主流偏于流道右孔（圖9d）?？梢?jiàn)，通過(guò)優(yōu)化中隔墩長(zhǎng)度可以在較大程度上改善斜式出水流道內(nèi)的流態(tài)，使左、右2孔的出流流量基本相等。

表1 斜式出水流道7個(gè)方案偏流系數(shù)和水頭損失的比較

不同中隔墩長(zhǎng)度的出水流道流場(chǎng)見(jiàn)圖9。

圖9 不同中隔墩長(zhǎng)度的出水流道流場(chǎng)

可以看到中隔墩長(zhǎng)度對(duì)斜式出水流道內(nèi)的流態(tài)有較為顯著的影響：中隔墩長(zhǎng)度為14 m時(shí)，偏流系數(shù)為2.738，斜式出水流道內(nèi)偏流嚴(yán)重，主流明顯偏于流道左側(cè)，在流道直線段右側(cè)下部產(chǎn)生大范圍旋渦區(qū)，旋渦區(qū)的高度約為流道立面高度的3/4；隨著中隔墩長(zhǎng)度的增加，流道內(nèi)旋渦區(qū)的范圍緩慢減小、偏流問(wèn)題逐漸改善，當(dāng)中隔墩長(zhǎng)度增加至20 m時(shí)，偏流系數(shù)為2.087，流道右孔旋渦區(qū)的立面高度降低至約為立面高度的2/3；隨著中隔墩長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，流道右側(cè)下部旋渦區(qū)的范圍逐漸減小，但在流道左孔上部產(chǎn)生了一定范圍的旋渦區(qū)；當(dāng)中隔墩長(zhǎng)度增加至23.35 m時(shí)，偏流系數(shù)為0.992，流道右孔旋渦區(qū)的立面高度降低至約為流道立面高度的1/2，流道左孔上部出現(xiàn)旋渦區(qū)，2個(gè)旋渦區(qū)范圍較為接近；當(dāng)中隔墩長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，出水流道左孔旋渦區(qū)范圍逐漸增大，右孔旋渦區(qū)范圍逐漸減小，主流逐漸偏右；當(dāng)中隔墩長(zhǎng)度增加至26.48 m時(shí)，偏流系數(shù)為0.945，流道右孔內(nèi)旋渦基本消失，水流流動(dòng)較為平順，水流主流偏于流道右孔。

根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行了充分論證，中墩方案5出水流道的偏流系數(shù)接近于1，左右2孔出流量基本相等，解決了出水流道內(nèi)的偏流問(wèn)題。

6 泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

泵站A采用了中隔墩方案5并進(jìn)行了泵裝置模型試驗(yàn)。泵站A斜式軸伸泵裝置模型試驗(yàn)于2018年在中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司水力模型通用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行[27]。該試驗(yàn)臺(tái)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)精度高、穩(wěn)定性好，效率綜合不確定度誤差優(yōu)于±0.3%，隨機(jī)誤差優(yōu)于±0.1%[28]。泵裝置模型試驗(yàn)的水泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，模型泵葉輪直徑為300 mm，試驗(yàn)內(nèi)容及方法按《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》（SL140-2006）[29]執(zhí)行。試驗(yàn)得到的該站泵裝置（方案5）模型綜合性能曲線（圖10）。可以看到，采用長(zhǎng)中隔墩出水流道的斜式軸伸泵裝置水力性能優(yōu)異，最優(yōu)工況點(diǎn)的效率達(dá)到80.56%。

圖10 泵裝置（方案5）模型綜合性能曲線

采用三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬方法對(duì)斜式泵裝置（方案5）葉片角度為?2°時(shí)的能量性能進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖11所示。可以看出，泵裝置數(shù)值模擬的流量-揚(yáng)程曲線、流量-效率曲線與模型試驗(yàn)結(jié)果的整體變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值計(jì)算的揚(yáng)程略高于模型試驗(yàn)；泵裝置模型試驗(yàn)最優(yōu)工況點(diǎn)處的揚(yáng)程誤差為3.2%、泵裝置效率誤差為2.2%。故采用本文的數(shù)值模擬方法對(duì)斜式軸伸泵裝置出水流道水力性能的研究是可靠的。

圖11 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果比較

在泵裝置模型試驗(yàn)中，對(duì)斜式出水流道方案5出口左、右兩側(cè)的水流進(jìn)行水壓脈動(dòng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置如圖12所示。

由試驗(yàn)得到的各葉片角度的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線示于圖13?？梢钥闯觯撼鏊鞯莱隹谧?、右兩側(cè)的壓力值十分接近，且各葉片角度流道左、右兩側(cè)壓力值的變化趨勢(shì)也基本一致，說(shuō)明流道出口左、右兩側(cè)流量和流速基本相同。若斜式出水流道內(nèi)存在偏流，則其左、右2孔的流量及流速必然出現(xiàn)明顯差別，根據(jù)伯努利方程，流道左、右兩側(cè)的壓力也應(yīng)出現(xiàn)明顯差別；反之，若流道內(nèi)無(wú)偏流，則兩側(cè)的壓力應(yīng)基本相同。

圖13 泵裝置出水流道（方案5）左右側(cè)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)曲線

7 結(jié) 論

1）斜式軸伸泵裝置采用14m長(zhǎng)度中隔墩的出水流道內(nèi)存在嚴(yán)重的偏流問(wèn)題，順?biāo)鞣较蚩?，水流主流偏于流道左?cè)，在流道右側(cè)下部存在較大范圍旋渦區(qū)，流道左孔出流流量明顯大于右孔。

2）斜式出水流道內(nèi)產(chǎn)生的偏流是導(dǎo)葉體出口水流較大的周向速度分量與“S”形彎曲的斜式出水流道相互作用所導(dǎo)致的一種流動(dòng)現(xiàn)象。

3）加大中隔墩長(zhǎng)度可以有效改善斜式出水流道內(nèi)的流態(tài)，當(dāng)中隔墩長(zhǎng)度增加為23.35m時(shí)，可使出水流道左、右2孔的出流流量達(dá)到基本相等。

4）中隔墩長(zhǎng)度為23.35 m斜式出水流道的泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果與本文數(shù)值模擬研究結(jié)果一致，泵裝置最優(yōu)工況點(diǎn)的效率達(dá)到80.56%。

[1]尤秋銘. 順德桂畔海泵站2500ISKM斜軸泵結(jié)構(gòu)及安裝特點(diǎn)[J]. 廣東水利水電，2001(2)：55－56.

You Qiuming. Structure and installation characteristics of 2500ISKM inclined shaft pump in the Guipanhai Pumping Station Shunde City[J]. Guangdong Water Resources and Hydropower, 2001(2): 55－56. (in Chinese with English abstract)

[2]金國(guó)棟，潘志軍，孟金波，等. 斜式軸流泵裝置模型的飛逸特性研究[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2013，28(5)：591－596.

Jin Guodong, Pan Zhijun, Meng Jinbo, et al. Study of the runway character of slanted axial-flow pump[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2013, 28(5): 591－596. (in Chinese with English abstract)

[3]胡德義，李俊翔. 太浦河泵站進(jìn)出水流道及安裝高程數(shù)模計(jì)算分析[J]. 云南水力發(fā)電，2002，18(1)：87－91.

Hu Deyi, Li Junxiang. Numerical simulation analysis of inlet and outlet passage and installation height for the Taipuhe Pump Station[J]. Yunnan Water Power, 2002, 18(1): 87－91. (in Chinese with English abstract)

[4]胡德義，王為人，李慶生，等. 太浦河泵站斜15°軸伸泵水力動(dòng)態(tài)力分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2002(3)：81－87.

Hu Deyi, Wang Weiren, Li Qingsheng, et al. A 15°slantways axial-flow pump hydraulic dynamic force analysis in Taipuhe pump station[J].Journal of Hydroelectric Engineering, 2002(3): 81－87. (in Chinese with English abstract)

[5]蔡宏偉，潘志軍. 排澇泵站軸流泵進(jìn)、出水流道的數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)給水排水，2010，26(9)：71－74.

Cai Hongwei, Pan Zhijun. Numerical simulation of inlet and outlet passages for axial flow pump in drainage pump station[J]. China Water & Wastewater, 2010, 26(9): 71－74. (in Chinese with English abstract)

[6]徐磊. 斜式軸伸泵裝置水力特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2009.

Xu Lei. Study on Hydraulic Characteristic and Optimum Design of Pump System with Slanting and Extensive Shaft[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[7]陸林廣，杲東彥. 大型泵站斜式出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33(11)：60－63.

Lu Linguang, Gao Dongyan. Optimum hydraulic design for inclined outlet conduit of large pumping station[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002, 33(11): 60－63. (in Chinese with English abstract)

[8]潘志軍，徐磊，沈曉燕，等. 杭州八堡泵站斜式軸伸泵裝置流道水力優(yōu)化[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)，2018，36(6)：501－508.

Pan Zhijun, Xu Lei, Shen Xiaoyan, et al. Conduit hydraulic optimization of slanted pump system for Babao Pumping Station of Hangzhou[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2018, 36(6): 501－508. (in Chinese with English abstract)

[9]林斌. 大型斜式軸流泵裝置的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J]. 中國(guó)電力教育，2010(s1)：364－366.

Lin Bin. Numerical simulation and optimization of the large inclined axial flow pump device[J]. China Electric Power Education, 2010(s1): 364－366. (in Chinese with English abstract)

[10]何鐘寧，周正富，談強(qiáng)，等. 15°斜軸泵裝置特性試驗(yàn)[J]. 排灌機(jī)械工程，2008，26(6)：36－40.

He Zhongning, Zhou Zhengfu, Tan Qiang, et al. Characteristic test of 15° slanting axis pump set[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2008, 26(6): 36－40. (in Chinese with English abstract)

[11]陳毓陵，華明，曹光華. 30°斜式軸流泵站的水力模型試驗(yàn)[J]. 水利水運(yùn)科學(xué)研究，2000(2)：55－58.

Chen Yuling, Hua Ming, Cao Guanghua. Hydraulic model test of inclined axial-flow-pump station at 30° angle[J]. Journal of Nanjing Hydraulic Research Institute, 2000(2): 55－58. (in Chinese with English abstract)

[12]劉君，鄭源，周大慶，等. 大型斜式軸流泵裝置能量特性研究[J]. 流體機(jī)械，2010(1)：1－4.

Liu Jun, Zheng Yuan, Zhou Daqing, et al. Study on energy characteristics of large-scale inclined axial-flow-pump arrangement[J]. Fluid Machinery, 2010(1): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[13]劉潤(rùn)根，馬曉忠，詹磊. 黃家壩30°斜式軸流泵裝置模型試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電，2016(2)：109－111.

Liu Rungen, Ma Xiaozhong, Zhan Lei. Model test study on 30° inclined axial flow pump device of the Huangjiaba Pumping Station[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(2): 109－111. (in Chinese with English abstract)

[14]Zhang Fan, Chen Ke, Appiah Desmond, et al. Numerical delineation of 3D unsteady flow fields in side channel pumps for engineering processes [J]. Energies, 2019, 12(7): 1－24.

[15]Shen Simin, Qian Zhongdong, Ji Bin, et al. Numerical investigation of tip flow dynamics and main flow characteristics with varying tip clearance widths for an axial-flow pump[J]. Journal of Power and Energy, 2019, 233(4): 476－488.

[16]Shi Yi, Zhu Hongwu, Yin Binbin, et al. Numerical investigation of two-phase flow characteristics in multiphase pump with split vane impellers[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, 33(4): 1651－1661.

[17]Launder B E, Spalding D B. The numerical computation of turbulent flows[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1974, 3(2): 269－289.

[18]Blazek J. Computational Fluid Dynamics：Principles and Applications[M]．2nd ed．Netherlands：Elsevier Ltd, 2005: 227－270.

[19]Shi Fengxia, Yang Junhu, Miao Senchun, et al. Investigation on the power loss and radial force characteristics of pump as turbine under gas-liquid two-phase condition [J]. Advances in Mechanical Engineering, 2019, 11(4): 1－10.

[20]張德勝，施衛(wèi)東，張華，等. 不同湍流模型在軸流泵性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(1)：66－71.

Zhang Desheng, Shi Weidong, Zhang Hua, et al. Application of different turbulence models for predicting performance of axial flow pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1): 66－71. (in Chinese with English abstract)

[21]高忠信，周先進(jìn)，張世雄，等. 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部三維粘性流動(dòng)計(jì)算與性能預(yù)測(cè)[J]. 水利學(xué)報(bào)，2001，32(7)：30－35.

Gao Zhongxin, Zhou Xianjin, Zhang Shixiong, et al. Performance prediction and viscous flow analysis for Francis turbulence runner[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001, 32(7): 30－35. (in Chinese with English abstract)

[22]王國(guó)玉，霍毅，張博，等. 湍流模型在軸流泵性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4)：309－313.

Wang Guoyu, Huo Yi, Zhang Bo, et al. Evaluation of turbulence models for predicting the performance of an axial flow pump[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2009, 29(4): 309－313. (in Chinese with English abstract)

[23]Rodi W. Turbulence Models and Their Application in Hydraulics Experimental and Mathematical Fluid Dynamics[M]. Delft: IAHR Section on Fundamentals of Division Ⅱ, 1980: 44－46.

[24]張德勝，李通通，施衛(wèi)東，等. 軸流泵葉輪出口軸面速度和環(huán)量的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(7)：73－77.

Zhang Desheng, Li Tongtong, Shi Weidong, et al. Experimental investigation of meridional velocity and circulation in axial-flow impeller outlet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(7): 73－77. (in Chinese with English abstract)

[25]梁金棟. 低揚(yáng)程立式泵裝置優(yōu)化水力設(shè)計(jì)研究[D]. 揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2012.

Liang Jindong. Study on Optimum Hydraulic Design for Vertical Pump System with Low Head[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[26]王剛. 泵站進(jìn)、出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)方法研究[D]. 揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2012.

Wang Gang. Study on Optimum Hydraulic Design Method for the Inlet and Outlet Conduit of Pumping Station[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[27]中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院. 擴(kuò)大杭嘉湖南排杭州八堡排水泵站水泵裝置模型試驗(yàn)報(bào)告[R]. 天津：中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2018.

[28]何成連，蔣玉華，張智彬，等. 南水北調(diào)工程水泵模型同臺(tái)測(cè)試及試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介[J]. 水利水電工程設(shè)計(jì)，2006，25(2)：29－32.

He Chenglian, Jiang Yuhua, Zhang Zhibin, et al. Introduction to the same pump test and test bench for the pump model of the South-to-North Water Transfer Project[J]. Design of Water Resources Hydroelectric Engineering, 2006, 25(2): 29－32. (in Chinese with English abstract)

[29]中華人民共和國(guó)水利部. SL 140-2006水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

Influence of middle pier lengths on hydraulic characteristic of outlet conduit in pump system with slanted extension shaft

Xu Lei1, Xia Bin1, Shi Wei2, Liu Jun2, Yan Shikai1, Lu Linguang1

(1.,,225009; 2.--.,,210019,)

Pump system with slanted extension shaft is one of the main pump systems in large low head pump station. In order to improve the flow pattern in the slanted outlet conduit and increase hydraulic performance of pump system, the three dimension turbulent flow field was calculated for the pump system with 20° shaft extension in a large low head pump station based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and standard-turbulent model. By the method of numerical simulation, flow fields in outlet conduits were analyzed and compared for 4 kinds of calculation schemes which were straight outlet conduit without rotation, S-shaped curve outlet conduit without rotation, straight outlet conduit with rotation and S-shaped curve outlet conduit with rotation. Based on the analyses, the cause of serious bias flow in the slanted outlet conduit was analyzed. According to the influence of length of middle pier on the bias coefficient and hydraulic loss of the slanted outlet conduit, the method of solving the bias flow problem was put forward, and the fittest middle pier length was chosen, and the hydraulic performance of the pump system was tested. The research results showed that there was serious bias flow in slanted outlet conduit when the length of middle pier was 14 m. Looking from the direction of downstream flow, the main flow was obviously skewed to the left side of the slanted outlet conduit, while a large range of vortex area appeared in the lower right part of the outlet conduit, and the discharge of the left hole was obviously than that of the right hole. There was no bias flow in the straight and the S-shaped curved outlet conduits when the flow at the conduit inlet with no rotation. There was no bias flow in the straight outlet conduit while there was obviously bias flow in the S-shaped curved outlet conduit when the flow at the conduit inlet with rotation. Therefore, the flow with larger residual circumferential velocity component at the guide vane outlet enters into the S-shaped curved outlet conduit in a spiral shape was the cause of serious bias flow in the slanted outlet conduit. The results also showed that the middle pier length had a significant influence on bias coefficient and hydraulic loss of the slanted outlet conduit. When the middle pier length was 14 m, the conduit bias coefficient and hydraulic loss were large. Along with the middle pier length increased, the conduit hydraulic loss decreased firstly and then increased, the conduit bias coefficient decreased gradually. When the middle pier length was 23.35 m, the conduit bias coefficient was smaller than 1, the discharge of right side was bigger than that of left side in the outlet conduit, the main flow was skewed to the right hole. The discharge from the left and right sides of the outlet conduit is basically equal when the middle pier was lengthened to an appropriate value. The slanted outlet conduit scheme with proper extension of the middle pier length had been verified by the model test of the pump system. The efficiency of optimal operation point for the pump system with slanted extension shaft reached 80.56%, the model test results were basically the same with the numerical simulation results. The pressure values on the left and right sides were very close at corresponding time and the pressure variation trends were basically the same. These model test results indicated that the flow pattern of left and right sides were nearly the same and the expected rectification effect was achieved. The slanted outlet conduit scheme whose middle pier length was 23.35 m had been recognized by the relevant engineering design institute and applied to the engineering practice.

pump; numerical simulation; flow filed; pump system with slanted extension shaft; outlet conduit; middle pier

徐 磊，夏 斌，施 偉，劉 軍，顏士開(kāi)，陸林廣. 中隔墩長(zhǎng)度對(duì)斜式軸伸泵裝置出水流道水力特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(1)：74－81.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.009 http://www.tcsae.org

Xu Lei, Xia Bin, Shi Wei, Liu Jun, Yan Shikai, Lu Linguang. Influence of middle pier lengths on hydraulic characteristic of outlet conduit in pump system with slanted extension shaft[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 74－81. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.009 http://www.tcsae.org

2019-06-27

2019-10-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（51309200, 51779215）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2013M540469）；江蘇省博士后科研基金（1301021A）

徐 磊，博士，副教授，主要從事泵站工程方面的研究。Email：xulei1017@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.009

TV131

A

1002-6819(2020)-01-0074-08