簸箕形進(jìn)水流道寬度對流道水流流態(tài)的影響

高傳昌 孫龍月 董旭敏

摘要：為了分析簸箕形進(jìn)水流道的進(jìn)口收縮段寬度變化對流道內(nèi)水流流態(tài)的影響，設(shè)計了進(jìn)口收縮段為漸擴(kuò)形、直線形和漸縮形三種寬度變化的簸箕形進(jìn)水流道方案?；谌S不可壓縮流體的雷諾平均N-S方程，選擇VOF模型和RNG k-ε模型，采用SIM-PLEC算法，模擬了設(shè)計工況下三種簸箕形進(jìn)水流道方案的三維流場。結(jié)果表明：三種流道形式設(shè)計都是合理的，其中漸擴(kuò)形簸箕形進(jìn)水流道水流流態(tài)稍優(yōu)于直線形簸箕形進(jìn)水流道，而直線形稍優(yōu)于漸縮形簸箕形進(jìn)水流道水流流態(tài)。在相同運(yùn)行工況下，三種簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口收縮段流道寬度變化影響了流道內(nèi)的水流速度、流線和渦量的分布，且均能保證進(jìn)水流道內(nèi)良好的水流特性，經(jīng)過喇叭管的整流，達(dá)到了較為理想的水力優(yōu)化目標(biāo)值。

關(guān)鍵詞：簸箕形進(jìn)水流道：流道寬度：數(shù)值模擬：流態(tài)

中圖分類號：TV675

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2020. 01.019

進(jìn)水流道可將進(jìn)水池中的水流平順均勻地引向水泵進(jìn)口，其水力性能直接影響著水泵性能。進(jìn)口流道具有良好的水流流態(tài)，可以使水泵葉輪進(jìn)口斷面的流場分布均勻，水泵達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，以獲得較高的效率。簸箕形進(jìn)水流道高度相對其他流道較低，形線簡單，施工方便，且能有效防止渦帶的產(chǎn)生，是一種較好的進(jìn)水流道形式，已在我國江蘇劉老澗泵站[1]、江西青山湖泵站[2]、南水北調(diào)工程北京大寧調(diào)蓄泵站[3]、南昌市新洲老泵站改造[4]等工程中得到了應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者對簸箕形進(jìn)水流道的水流流態(tài)和水力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[5-9]，提出了簸箕形進(jìn)水流道的水力設(shè)計方法。李四海等[10]對半圓式和漸縮式簸箕形進(jìn)水流道的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，兩種流道的內(nèi)部水流流態(tài)和流道出口斷面的速度均勻度均達(dá)到了理想狀態(tài)。上述研究主要分析了簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口收縮段寬度不變且吸水室形式不同對水力特性的影響，而關(guān)于進(jìn)口收縮段寬度漸變式變化對進(jìn)水流道水力特性影響的研究較少。

為此，本文結(jié)合某引黃閘前泵站增容改造所確定的簸箕形進(jìn)水流道的相關(guān)資料，設(shè)計了進(jìn)口收縮段為漸擴(kuò)形、直線形和漸縮形三種變化寬度的簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)行數(shù)值模擬，著重分析了簸箕形進(jìn)水流道內(nèi)的水流流態(tài)及典型斷面的流速、流線和渦量的分布形態(tài)，揭示不同方案流道寬度對進(jìn)水流道水力特性的影響，為簸箕形進(jìn)水流道的水力優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 三組簸箕形進(jìn)水流道設(shè)計方案

簸箕形進(jìn)水流道由進(jìn)口收縮段、吸水室和喇叭管三部分組成。某引黃閘前泵站增容改造工程要求不改變泵站進(jìn)水前池、進(jìn)水閘室和泵房主體結(jié)構(gòu)，在這個前提下設(shè)計簸箕形進(jìn)水流道。

在滿足原泵站尺寸要求的前提下，提出了進(jìn)水流道水力設(shè)計方案，其進(jìn)水流道長度XL為6 475 mm、進(jìn)口寬度B1為4 500 mm、進(jìn)口高度Bi為2 800 mm、喉管高度HB為1 480 mm、喉管直線段長度XB為780 mm、后壁距XT為1 850 mm、葉輪中心高度Hw為2 980 mm、后壁高度hi為300 mm、上部圓弧半徑R1為7 778 mm、后部圓弧半徑R2為4 956 mm、喇叭管為1/4橢圓弧（長半軸為1 160 mm，短半軸為450 mm.入口直徑DL為2 720 mm、出口直徑D.為1 820 mm）。簸箕形進(jìn)水流道如圖1所示。

在簸箕形進(jìn)水流道水力設(shè)計方案的主要參數(shù)不變的條件下，對進(jìn)口收縮段寬度變化的漸變角“、簸箕形線半徑Rj、圓心距S和寬度變化特征值Bs進(jìn)行設(shè)計，確定選擇變化寬度形式的漸擴(kuò)形、直線形和漸縮形三種簸箕形進(jìn)水流道形式，其形線設(shè)計見表1和圖2（其中紅色為直線形方案示意圖）。

2 進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計數(shù)值模擬計算

2.1 控制方程

簸箕形進(jìn)水流道內(nèi)的水流屬于復(fù)雜的三維湍流流動，流體運(yùn)動始終遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，而三大定律在表達(dá)形式上有所不同。在進(jìn)水流道內(nèi)流體為非定常、不可壓縮流動，且通常不考慮熱交換及組分的變化情況，因此數(shù)值計算主要涉及連續(xù)性方程和動量方程，表達(dá)式如下。

連續(xù)性方程：

2.2 計算參數(shù)設(shè)置

2.2.1 計算區(qū)域選擇

對于單元進(jìn)水流道，采用ProE軟件建立單元簸箕形進(jìn)水流道三維模型，包括進(jìn)水閘室段、簸箕形進(jìn)水流道和流道出口段三部分。在對進(jìn)水流道內(nèi)部流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究時，忽略喇叭管出口與水泵過流部件之間的相互影響。整個模型使用Pointwise軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為了保障網(wǎng)格質(zhì)量，所有區(qū)域均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并嚴(yán)格控制長寬比、歪斜度等網(wǎng)格控制參數(shù)。進(jìn)水喇叭口附近流速梯度變化較大，網(wǎng)格局部進(jìn)行加密。受壁面函數(shù)的約束，網(wǎng)格在邊壁處進(jìn)行適當(dāng)加密，使壁面處的網(wǎng)格尺度y+[11]保持在30 - 500，以準(zhǔn)確反映壁面處的水流流態(tài)。通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，確定該模型最終網(wǎng)格數(shù)量為490萬個左右。簸箕形進(jìn)水流道裝置計算區(qū)域及網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

2.2.2 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬計算中涉及的進(jìn)水閘室段存在自由液面，本文通過自由液面的波動情況以及殘差收斂和監(jiān)測點(diǎn)速度情況來確定進(jìn)水流道內(nèi)水流流態(tài)趨于穩(wěn)定的時間點(diǎn)。空氣域進(jìn)口為速度入口，空氣域出口為大氣壓力出口。在流場計算過程中，流道內(nèi)的流速分布是未知的，為此可將進(jìn)水流道計算流場的進(jìn)口斷面設(shè)置在前池中距離進(jìn)水流道足夠遠(yuǎn)處。本試驗(yàn)中，將進(jìn)口斷面設(shè)置在進(jìn)水流道入口前2倍進(jìn)水流道寬度處，該進(jìn)口斷面為一垂直于水流方向的斷面，可認(rèn)為來流速度均勻分布。為了準(zhǔn)確反映出流邊界條件，防止產(chǎn)生回流，將出口斷面沿水流方向等直徑延長2倍管徑設(shè)置為速度出口。壁面包括進(jìn)水閘室邊壁和進(jìn)水流道、喇叭口和出水管邊壁，設(shè)置為無滑移固體壁面，且采用適用性更強(qiáng)的可縮放壁面函數(shù)法處理[12]。初始邊界條件如圖4所示。

2.2.3 計算方法設(shè)置

由于在進(jìn)水流道中水流的速度梯度變化較為劇烈，且流場始終處于變化之中，因此計算過程中采用瞬態(tài)計算的RNG k-8模型，以便更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。對進(jìn)水閘室內(nèi)的氣液兩相流動采用VOF模型，并選用顯示模式以觀測兩相流流動穩(wěn)定后自由液面的最終形態(tài)。求解方法采用SIM-PLEC算法，其壓力、湍動能和耗散率的空間離散方法均采用具有二階精度截差的二階迎風(fēng)格式。

3 進(jìn)水流道計算結(jié)果及分析

根據(jù)三種方案的數(shù)值模擬結(jié)果，分別對簸箕形進(jìn)水流道的三維流動特性、典型斷面的流線、速度分布圖、矢量圖及渦量形態(tài)進(jìn)行對比分析。

3.1 自由液面相分布圖

在相同運(yùn)行工況下得出不同時刻進(jìn)水閘室氣液界面的相分布圖，其中紅色區(qū)域代表氣體，藍(lán)色區(qū)域代表水體。

從圖5可以看出：水泵啟動瞬間，進(jìn)水閘室的自由液面在進(jìn)水流道入口處會出現(xiàn)一定程度的壅水情況，水面波動劇烈;運(yùn)行10 s后，自由液面的波動減弱，趨于穩(wěn)定狀態(tài);運(yùn)行20 s后，自由液面基本趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生水面波動情況。因此，可以認(rèn)為進(jìn)水流道內(nèi)的水流在運(yùn)行20 s后基本處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，可選擇此時刻進(jìn)行流道內(nèi)水流流動特性分析。

3.2 進(jìn)水流道三維流線圖分析

圖6為數(shù)值模擬計算得到的三維流線圖。從圖6可以看出：進(jìn)水閘室內(nèi)的水流從進(jìn)水流道入口勻稱地流入進(jìn)水流道，隨著流道高度的減小而逐漸平緩均勻收縮，流線層次分明，保證水流盡可能平滑流向后壁處;在吸水室，一部分水流直接從喇叭管前端進(jìn)入喇叭管，另一部分水流從流道的兩側(cè)和后部進(jìn)入喇叭管，水流的行程較長，少許流線的彎曲度較大，容易形成旋渦。進(jìn)入喇叭管后，水流的運(yùn)動主要為轉(zhuǎn)向和收縮，并進(jìn)行最后的流態(tài)調(diào)整。從流線圖可以看出，喇叭口入口處水流流線過渡平順有序，喇叭管出口處水流趨于均勻分布，水流方向近似垂直于出口斷面，流態(tài)相對較好。

從圖7可以看出：在進(jìn)水流道后部邊壁處，方案一和方案二在邊壁處少許流線出現(xiàn)不同程度的彎曲，整體流態(tài)較好;而方案三在后部邊壁處流線彎曲較為紊亂，在喇叭管正下方區(qū)域流線呈兩個對稱的旋渦，整體流態(tài)稍劣于方案一和方案二。

3.3 典型斷面流速云圖及流線圖

為了研究不同進(jìn)口段寬度的簸箕形進(jìn)水流道內(nèi)部水流流動特性，對三種方案各選取不同斷面進(jìn)行對比分析?，F(xiàn)選擇x方向上9 000（進(jìn)水流道入口斷面）、11 100、13 200、15 475 mm（喇叭管中心斷面），y方向上1 480（喇叭管人口斷面）、2 640（喇叭管出口斷面），z方向0（流道縱斷面）、600、1 200、1 800 mm斷面進(jìn)行水流流態(tài)分析，如圖8所示。

3.3.1 z方向斷面流速云圖及流線圖

從圖9可以看出：三種方案的流速區(qū)域隨著進(jìn)水流道形線的變化，過渡層次分明，水流勻稱地流入，收縮平緩均勻。在進(jìn)水流道的中心z=0縱斷面處，三種方案的速度分布云圖和流線圖基本相同，表明流道寬度對中心斷面的水流流動特性影響較小。在其他斷面處，隨著進(jìn)水流道寬度和簸箕形線半徑的減小，進(jìn)水流道內(nèi)的高流速區(qū)域逐漸擴(kuò)大，而后壁處低流速區(qū)域逐漸縮小。在z=0和z=600 mm斷面的后壁處，水流流態(tài)復(fù)雜，既有從流道邊壁和底部流入的水流，又存在從此處流入喇叭管的水流，流線比較紊亂，三種方案均出現(xiàn)比較明顯的旋渦;在z=1 200 mm和z=1 800 mm斷面的流道后壁底部，方案一和方案二均出現(xiàn)低流速區(qū)域，且有比較明顯的旋渦;而方案三在z=1 800 mm斷面頂部出現(xiàn)一個明顯的旋渦。

3.3.2 x方向斷面流速云圖及流線圖

從圖10可以看出：三種方案在相同斷面的流速云圖分布規(guī)律基本一致，在同一斷面，隨著進(jìn)水流道寬度和簸箕形線半徑的減小，高流速區(qū)域逐漸擴(kuò)大。在喇叭管中心斷面處，方案三邊壁處的低流速區(qū)域比其他方案的小。在該斷面處，三種方案的流速分布從壁面到喇叭管呈遞增趨勢，在喇叭管內(nèi)部流速迅速增大，經(jīng)過喇叭管的整流，三種方案均達(dá)到較為理想的流速分布。

3.3.3 y方向斷面流速云圖

從圖11可以看出：喇叭管出口處和葉輪進(jìn)口處的速度均勻?qū)ΨQ分布，靠近出水管后壁一側(cè)的流速相對較高，原因是大部分高速水流直接從喇叭管前端進(jìn)入喇叭管，小部分水流從流道的兩側(cè)和后部進(jìn)入喇叭管，水流行程較長，受側(cè)壁面和后壁面的影響，流速較小。這兩部分水流經(jīng)過喇叭管的調(diào)節(jié)，在水流慣性的作用下，有向出水管后壁處運(yùn)動的趨勢。在y=1 480 mm喇叭管人口斷面前端，方案三高流速區(qū)域最大，方案二次之，方案一最小。在y=2 640 mm喇叭管出口斷面水流通過喇叭管的整流已經(jīng)得到充分發(fā)展，流速分布對稱，但在方案三中出現(xiàn)兩個明顯的旋渦。

3.4 渦量云圖

從旋渦發(fā)生的位置來看，可將旋渦分為表面旋渦、附底旋渦和附壁旋渦。而在進(jìn)水流道的水流運(yùn)動中，受到邊壁、流速、方向等的影響，在水流匯集段會經(jīng)常出現(xiàn)附底旋渦和附壁旋渦。渦量是旋渦運(yùn)動最重要的物理量之一，定義為流體速度矢量的旋度（ S^-1）。渦旋通常用渦量來量度其強(qiáng)度和方向。在流體中，只要有“渦量源”，就會產(chǎn)生尺度不一的渦旋。本試驗(yàn)借助CFD-Post后處理軟件，采用Q- Criterion旋渦判別準(zhǔn)則在相同域值Q=O.01的條件下得到了進(jìn)水流道的渦核心區(qū)域云圖，如圖12所示。

從圖12可以看出：在相同域值情況下，方案一和方案二在后壁處均出現(xiàn)了兩條對稱的渦管，并終止于喇叭管人口處，方案一的渦管直徑明顯小于方案二的;方案三在后壁處形成散落的旋渦，且在喇叭管內(nèi)壁面處形成較為強(qiáng)烈的附壁渦。從渦量值和云圖可以看出：在渦量值較小區(qū)間內(nèi)，其旋渦形態(tài)和旋渦分布區(qū)域基本一致。隨著渦量值的增大，其旋渦形態(tài)和旋渦分布區(qū)域出現(xiàn)明顯差異。根據(jù)渦量的定義可知，進(jìn)水流道內(nèi)的渦量與進(jìn)水流道寬度，即與水流流速有密切的聯(lián)系。

4 進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計評價指標(biāo)

進(jìn)水流道直接影響水泵葉輪進(jìn)口斷面的流速分布，且對水泵性能有很大的影響，因此為了保證進(jìn)水流道能為水泵提供良好的進(jìn)水流態(tài)，要求進(jìn)水流道出口斷面的流速分布均勻，水流方向盡可能垂直于出口斷面。陸林廣提供了進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計的兩個定量評價指標(biāo)，即進(jìn)水流道計算斷面流速分布均勻度Vu和水流速度加權(quán)平均角度θ[12].其定義為

按式（5）和式（6）評價指標(biāo)，在設(shè)計工況下，對三種進(jìn)水流道方案的喇叭管人口斷面和喇叭管出口斷面（即進(jìn)水流道出口斷面也是水泵葉輪進(jìn)口斷面）的流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角度進(jìn)行計算，見表2。

根據(jù)表2計算數(shù)據(jù)可以看出：三種方案在喇叭管人口處的速度分布均勻度和加權(quán)平均角度值距理想目標(biāo)值較遠(yuǎn)，但經(jīng)過喇叭管的整流作用后，在喇叭管出口處的速度分布均勻度和加權(quán)平均角度均接近于理想目標(biāo)值。

5 結(jié)論

在該泵站增容改造過程中，通過對直線形、漸擴(kuò)形和漸縮形三種不同寬度簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行計算和分析，得出如下結(jié)論：

（1）漸擴(kuò)形簸箕形進(jìn)水流道水流流態(tài)稍優(yōu)于直線形簸箕形進(jìn)水流道，而直線形稍優(yōu)于漸縮形簸箕形進(jìn)水流道水流流態(tài)，說明三種流道形式設(shè)計都是合理的。

（2）在相同運(yùn)行工況下，三種簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口收縮段寬度變化影響了流道內(nèi)的水流速度、流線和渦量的分布，且均能使進(jìn)水流道內(nèi)的水流特性具有良好的狀態(tài)，無渦帶進(jìn)入喇叭管內(nèi)。

（3）水流經(jīng)過三種簸箕形進(jìn)水流道到達(dá)出口斷面時速度分布均勻度已接近理想值，分別達(dá)到97.22%、97.32%、96.94%，速度加權(quán)平均角度分別達(dá)到88.030、87.960、87.250。

（4）簸箕形進(jìn)水流道是一種形式簡單、施工方便和水力性能較好的流道形式，能夠?yàn)樗锰峁┝己玫倪M(jìn)水條件。

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【責(zé)任編輯 張華巖】

收稿日期：2019-08-12

作者簡介：高傳昌（1957-），男，河北邯鄲人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械及流體工程研究工作

通信作者：孫龍月（1989-），男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及流體工程