基于大渦法泵站進水口渦流特性研究

韋 曄

(廣東華禹工程咨詢有限公司，廣東 廣州 511340)

進水池是泵站工程中的重要組成部分，進水池的流態(tài)及水力特性會影響水泵的使用性能，不良的流態(tài)[1]如渦流等現(xiàn)象會直接損害泵站進水管，在引水過程中出現(xiàn)空蝕等現(xiàn)象。泵站進水池處水流多呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，前池的水流經(jīng)過進水池時會由于流速不均出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，無規(guī)律變化的渦流是影響泵站正常運行效率及穩(wěn)定性的重要因素。因此，研究泵站進水池中渦流狀態(tài)對泵站采取適當?shù)念A防及消渦措施具有重要意義。

根據(jù)水力學相關(guān)理論可知，渦流是流體在流動過程中普遍存在的一種基本形態(tài)[2]。泵站進水池作為常見的水工建筑物，通常用于水電站廠房取水的取水建筑物，根據(jù)其使用功能常布置在壓力前池與泵站之間。造成渦流現(xiàn)象[3]出現(xiàn)的常見原因有以下幾種：進水池選址不當引起的水流不均勻流動；沿進水池流道中存在阻礙物造成水流的不均勻流動；進水池流道中梯段設置不當造成水流流速梯度較大等。

1 嵌入式大渦法模型

湍流場中廣泛存在尺度的相似性[4]，因此在建立大渦模擬方程前需進行尺度分析，通過建立約束條件，確定湍流大渦模擬的亞網(wǎng)格模型系數(shù)，進而給出新的大渦模擬計算模型。泵站進水池的流態(tài)極不穩(wěn)定，在建立湍流場模型時，在接近平衡的湍流區(qū)域采用雷諾平均模型進行模擬，而在非平衡湍流區(qū)即渦流區(qū)則采用嵌入式大渦數(shù)值模擬[5]。

進水池中的流動可以看作為不可壓縮流動[6]，根據(jù)不可壓縮流動的水力特性列出數(shù)值計算的控制方程如公式(1)及(2)所示。

(1)

(2)

2 模型模擬介紹

本文中用于實驗模擬的室內(nèi)物理模型主要由進水池前池、進水池流道、吸水管3部分組成。模型示意如圖1所示。

圖1 實驗模型示意(單位：mm)

為便于觀察實驗結(jié)果，將進水流道的四周及底部均選用亞克力玻璃材質(zhì)。吸水管直徑為0.114 m，進水池總長0.916 m，流道寬為0.284 m，進水池流道內(nèi)水流的平均流速為0.22 m/s。喇叭口距離底部為0.5d，吸水管吸水的流量假定為0.02 m3/s，吸水管內(nèi)水流平均流速為1.9 m/s。定義吸水管雷諾數(shù)為220 000，流道雷諾數(shù)為84 000，通過改變水流通過吸水管的流量和水位高度來模擬不同實驗工況。實驗主要觀察不同工況下，吸水管周圍水流的特性和出現(xiàn)的渦流類型，根據(jù)實驗現(xiàn)象分析不同渦流狀態(tài)產(chǎn)生的原因。實驗過程中觀測儀器采用PIV測量儀器，示蹤粒子采用隨性良好、直徑為3～5 um的空心玻璃球作為示蹤粒子。

嵌入式大渦法模型進行計算時計算量較大，故本文利用ANSYS建立實體模型并進行有限元分析。在分析計算過程中采用自適應網(wǎng)格劃分，降低網(wǎng)格劃分過程中的誤差估計。嵌入式大渦模型為分域模型，故在利用ANSYS進行網(wǎng)格劃分時將實驗用流場劃分若干個網(wǎng)格區(qū)域，針對邊界及自由液面等局部區(qū)域進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格數(shù)為6.8×106。定義實體模型中進水口設置為自由表面，出水口定義為質(zhì)量流邊界，且進水口與出水口處的質(zhì)量流量相等。在整個計算過程中進水池壁面定義為無滑移的邊界條件。

實驗過程中通過對比附底渦、表面渦兩種典型渦流的環(huán)量來驗證模擬。由圖2～3可以直觀的看出模擬數(shù)值與實測數(shù)值環(huán)量的變化趨勢接近，模擬結(jié)果的數(shù)值略大于實測數(shù)值，且環(huán)量的變化率高于實測數(shù)據(jù)計算的數(shù)值。這一結(jié)果表明本文選用的嵌入式大渦法模型模擬結(jié)論與模型實驗的結(jié)論大致相同，故可在模擬結(jié)論的基礎上進行下一步的分析。

圖2 附底渦環(huán)量對比示意

圖3 表面渦環(huán)量對比示意

3 渦流水力特性研究

3.1 進水池渦流分類

實驗時，對進水池周圍壁面位置進行拍攝，每秒拍攝3對單次曝光照片。實驗時通過調(diào)節(jié)吸水管流量和水位高度，觀察并記錄不同流量和水深條件下，進水池吸水管周圍水流的特性和出現(xiàn)渦旋的類型，進而得出渦旋類型的整體發(fā)展過程。

實驗得到的實驗數(shù)據(jù)代入擬合公式求得結(jié)果與Chang[7]的實驗結(jié)果一致，說明該模擬裝置可以用于測試進水口的渦流狀態(tài)。由拍攝結(jié)果可知在進水池部位常見的渦流狀態(tài)包括自由表面渦、附底渦、側(cè)壁渦、后壁渦，具體的渦流形態(tài)描述如下。

3.1.1自由表面渦

通過觀察可知，在模型吸水管后部分別形成了1個呈逆時針旋轉(zhuǎn)的渦流，1個呈順時針旋轉(zhuǎn)的渦流，因為渦流出現(xiàn)在吸水管后部液面的表面，故定義為表面渦。隨著測量截面不斷向吸水管進口靠近，渦流形成的流線在渦核區(qū)域有聚集的趨勢。隨著測量截面向吸水管進口靠近，渦心的強度是明顯增加的，原因在于渦流由于受吸水管的吸附力作用，表現(xiàn)出向下不斷增強且渦核區(qū)域不斷減小的特性。

3.1.2附底渦

通過示蹤粒子顯示的附底渦的流線可知，可明顯觀測到在進水管喇叭口的下方形成了1個逆時針旋轉(zhuǎn)的渦流。隨著測量截面漸漸移向吸水管進口，渦流中心的渦流現(xiàn)象較為明顯，示蹤粒子的流線在渦流中心位置有不斷聚集。隨著測量截面向吸水管進水口的距離不斷減小，渦流中心的強度是明顯增加的。這種現(xiàn)象表明渦由于受吸水管的吸附力作用，表現(xiàn)出越靠近吸水管進口渦流強度越強，而流中心的渦流強度不斷減小，直至渦流被吸入吸水管中。

3.1.3側(cè)壁渦

通過示蹤粒子的渦流流線圖可以看出在進水池壁面的渦流幾乎與吸水管進口等高。隨著測量截面不斷移向吸水管進水口，渦流位置逐步向吸水管進口下方移動，同時渦流中心的渦流強度不斷減小，表明吸水管進口對側(cè)壁渦有加強作用，并且有側(cè)壁渦吸入吸水管中。

3.1.4后壁渦

通過示蹤粒子的渦流流線圖可以明顯觀察到水流在通過吸水管時有兩股水流會繞過吸水管后再匯合，而這兩股水流在繞過吸水管時在吸水管兩側(cè)的流量不均等，故在吸水管后方會經(jīng)常出現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)的兩個渦不斷相互纏繞的生成和消失現(xiàn)象，定義為后壁渦。是由于吸水管進口的吸附力作用，渦流中心強度增加，形成貫通到吸水管中的后壁渦。

3.2 進水口臨界淹沒深度

為防止水泵進水池喇叭口發(fā)生吸氣渦流現(xiàn)象，通常要求水電站進水池有一定的淹沒深度。大量學者通過研究發(fā)現(xiàn)，總結(jié)出臨界淹沒深度這一指標作為進水池的主要水力特性，其中臨界淹沒深度主要受弗汝德數(shù)、速度環(huán)量及雷諾數(shù)的影響。

Gordon[8]通過分析多個水電站原型的數(shù)據(jù)資料，推導出臨界淹沒深度的經(jīng)驗公式如下：

(3)

本文通過室內(nèi)物理模型實驗，設計不同實驗條件的工況如表1所示，得到針對于本文中實驗模型的擬合公式為：

(4)

3.3 尺度效應

造成渦流現(xiàn)象的流體力學因素主要包括慣性力、粘滯力及表面張力。目前水泵進水池室內(nèi)模型大多以弗汝德數(shù)相似的原則進行設計，故本實驗中主要考慮慣性力對水流的影響。

進水池處渦流的強度大小通常用速度環(huán)量來衡量，由于側(cè)壁渦、后壁渦的渦流強度較小，且易受周圍水流擾動造成統(tǒng)計不便，故本文研究對象主要為自由表面渦和附底渦。通過分析速度環(huán)量隨雷諾數(shù)、渦核半徑變化而變化的規(guī)律，判斷渦流的尺度效應。附底渦的速度環(huán)量變化如表2所示，自由表面渦的速度環(huán)量變化如表3所示。

表2 附底渦不同渦核半徑的速度環(huán)量

分析表2數(shù)據(jù)可知，進水池的速度環(huán)量隨著Re/Rep比值在1～0.3范圍內(nèi)減小而不斷增大，呈現(xiàn)負相關(guān)的規(guī)律。而當Re/Rep比值為0.1時，速度環(huán)量呈相反趨勢變化，表明在此范圍內(nèi)渦流存在著尺度效應。

表3 表面渦不同渦核半徑的速度環(huán)量

通過表3數(shù)據(jù)分析可知，自由表面渦的速度環(huán)量隨著Re/Rep比值在1～0.3范圍減小而減小，呈現(xiàn)正相關(guān)的規(guī)律。當Re/Rep比值為0.1時，速度環(huán)量值突增，表明此時自由表面渦流存在著尺度效應。附底渦和自由表面渦都存在尺度效應但渦流變化規(guī)律相反。

3.4 消渦工程措施

通過上述分析結(jié)果表明，泵站進水池消渦工程主要通過以下幾個方面：①控制進水池淹沒深度。通過將進水池最低水位控制在臨界淹沒深度以下，用以消除渦流現(xiàn)象。②減小水流速度環(huán)量。通過減小進水池滯水區(qū)范圍來消減回流，進而減小水流的速度環(huán)量，起到消渦的目的。③安裝消渦裝置。通過在進水池上方設置消渦梁、消渦板等結(jié)構(gòu)用以消除進水池渦流。

4 結(jié)語

通過模型實驗及大渦法數(shù)值模擬結(jié)果可知，在泵站進水池存在4種渦流狀態(tài),即：自由表面渦、附底渦、側(cè)壁渦、后壁渦,了解進水口渦流狀態(tài)有利于針對不同的渦流形態(tài)開展不同的消渦措施。通過對進水口臨界淹沒深度及尺度效應兩個水力特性的分析，總結(jié)出常見的3種消渦方式。