某泵站前池流態(tài)模型試驗(yàn)研究

吳燕武，羅 明，高 琛

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

受當(dāng)?shù)貙?shí)際地形及工程投資等其他客觀因素的限制，平原地區(qū)常見閘站結(jié)合的布置形式，其主要分為對(duì)稱布置和非對(duì)稱布置形式。泵站在運(yùn)行的情況下，進(jìn)水池的寬度比引渠底寬大，因此需在引渠和進(jìn)水池之間設(shè)置前池。前池設(shè)計(jì)不當(dāng)易導(dǎo)致不良流態(tài)，前池內(nèi)的不良流態(tài)將嚴(yán)重影響進(jìn)水池內(nèi)的流態(tài)，導(dǎo)致水泵性能和汽蝕性能下降，因此前池的水力設(shè)計(jì)要求保證水流順暢、擴(kuò)散平緩等[1]。而閘站結(jié)合式泵站由于導(dǎo)流墻的存在，容易出現(xiàn)前池發(fā)生復(fù)雜的流動(dòng)，使得前池流態(tài)紊亂，造成泵站汽蝕，對(duì)泵站的安全運(yùn)行造成威脅[2]。羅燦等[3]以某非對(duì)稱閘站結(jié)合工程為例，采用CFD研究該工程的水力特性，通過(guò)在前池加設(shè)隔墩能有效縮小回流區(qū)的范圍，提高進(jìn)水流道流速分布均勻度；資丹等[4]為消除大型泵站前池和進(jìn)水池的漩渦和附壁渦，采用三維流體力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由八字型導(dǎo)流墩、川字型導(dǎo)流墩和十字型消渦板構(gòu)成的組合式導(dǎo)流墩能有效消除該大型泵站前池的漩渦，提高流速分布均勻度。

為了獲得平順的進(jìn)水流態(tài)，保證泵站的安全運(yùn)行，有必要對(duì)閘站結(jié)合式泵站前池的水力特性進(jìn)行研究。本文對(duì)某對(duì)稱式閘站結(jié)合式泵站在設(shè)計(jì)水位抽排工況下進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，得出了一種較優(yōu)的改進(jìn)方案，該方案可以有效地改善泵站進(jìn)水條件。

1 相似準(zhǔn)則

1.1 相似比尺

模型中的水力現(xiàn)象要能正確反映實(shí)際工程的水力現(xiàn)象，是水工模型試驗(yàn)的基本要求。要保證模型與原型的流動(dòng)相似，就必須使兩者的邊界條件及受力狀況均相似，即必須在模型試驗(yàn)中遵循一定的相似條件和相似準(zhǔn)則[5，6]。模型試驗(yàn)中的水流是以重力為流動(dòng)的主導(dǎo)力，即模型按重力相似的Fr準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，要求原型和模型流動(dòng)的Froude數(shù)（Fr）相等。

根據(jù)重力相似定律[7，8]，結(jié)合泵站工程尺寸和平面布置以及試驗(yàn)大廳場(chǎng)地條件，確定模型幾何比尺λr=lp/lm=30。

式中，λr為模型幾何比尺；lp為原型長(zhǎng)度；lm為模型長(zhǎng)度。

1.2 模型雷諾數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)研究的目的，通過(guò)流量與水位關(guān)系的確定，選取對(duì)下游流態(tài)最不利的過(guò)流最大流量412m3/s及相應(yīng)的下游模型水深0.1m，計(jì)算模型雷諾數(shù)計(jì)算斷面選取在下游海漫段，其濕周為3.62m。則模型的流量為：

模型過(guò)流斷面的面積為：Am=0.863m2

模型過(guò)流斷面的水力半徑為：

模型過(guò)流斷面的流速為：

由文獻(xiàn)[9]，當(dāng)水溫為20℃時(shí)模型水流的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù) ν為：ν=0.010 1×10-4m2/s，則：

根據(jù)《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》[10]該模型水流已達(dá)到紊流，即水流紊動(dòng)程度已滿足試驗(yàn)要求。

再分析一下90%最大試驗(yàn)流量下，模型水流的雷諾數(shù)。模型過(guò)流斷面的流速為：

此時(shí)模型水流的雷諾數(shù)為：

根據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》該模型水流已達(dá)到紊流，即水流紊動(dòng)程度已滿足試驗(yàn)要求，同樣其它斷面也能滿足要求[10]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型制作

根據(jù)模型糙率相似準(zhǔn)則的要求，模型流動(dòng)邊界的粗糙度必須與原型相似，按幾何比尺λr=30，從阻力相似條件考慮模型材料[11]，即糙率相似，有糙率系數(shù)比尺為：

原型采用鋼筋混凝土，其糙率np=0.011～0.020，則模型相應(yīng)糙率系數(shù)范圍應(yīng)為：

據(jù)上述數(shù)據(jù)，采用優(yōu)質(zhì)PVC灰板（其糙率系數(shù)np=0.007～0.010）制作模型，能夠滿足試驗(yàn)要求。為方便觀測(cè)泵室段及匯水箱中的水流流態(tài)，該段采用透明有機(jī)玻璃制作，其糙率為0.01左右，滿足試驗(yàn)要求。

2.2 模型系統(tǒng)

整個(gè)模型包含進(jìn)口引水段、攔污檢修閘、前池、泵室、消力池及防沖槽、橋墩、自排閘等。泵站的總體布置情況示于圖1。

圖1 模型平面布置圖

3 測(cè)量?jī)x器與測(cè)試方法

3.1 流量的量測(cè)

模型流量使用LDY型智能電磁流量計(jì)測(cè)定，超聲波流量計(jì)校核。利用閘閥、管道泵控制流量大小。電磁流量計(jì)上游、下游應(yīng)有足夠的直管段，一般上游長(zhǎng)度不少于10倍管道公稱通徑，下游長(zhǎng)度有3倍管道通徑。如果上游側(cè)有兩個(gè)彎頭或非全開式閥門（如調(diào)節(jié)閥）等形式的阻流管件，上游直管段需要更長(zhǎng)。如果現(xiàn)場(chǎng)條件不能滿足，則在上游側(cè)安裝整流器，改善流體流場(chǎng)無(wú)漩渦。本試驗(yàn)按測(cè)流規(guī)范在泵站安裝6臺(tái)電磁流量計(jì)分別計(jì)量各泵流量，總循環(huán)管安裝1臺(tái)電磁流量計(jì)計(jì)量總循環(huán)流量。

3.2 流態(tài)及水位量測(cè)

面層流態(tài)測(cè)量時(shí)根據(jù)試驗(yàn)要求先調(diào)節(jié)好上下游水位及流量，待水流穩(wěn)定后在水面均勻?yàn)Ｓ盟芰蠎腋×Ｗ佑^察面層流態(tài)，同時(shí)采用延時(shí)曝光的方式利用相機(jī)記錄面層流場(chǎng)情況。底層流態(tài)采用化學(xué)示蹤法顯示其流場(chǎng)，這種方法能清楚地展示出水體的回流和旋流等流態(tài)[12]。水位采用測(cè)針測(cè)量水位，測(cè)量誤差在1mm之內(nèi)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)情況

設(shè)計(jì)水位抽排工況下，由圖2可以看出，水流由攔污閘方向正向進(jìn)入泵站前池，在抽排工況下，由于自排流道與泵站流道中間有導(dǎo)流墻的存在，導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度為40cm，導(dǎo)致前池內(nèi)出現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较虻幕匦鲃?dòng)且回旋流動(dòng)的范圍主要位于導(dǎo)流墻的周圍，從而容易在水泵中產(chǎn)生汽蝕，引起水泵的振動(dòng)，進(jìn)而威脅水泵的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 前池面層流態(tài)（原設(shè)計(jì)方案）

4.2 改進(jìn)方案布置情況

原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題為：由于自排閘與泵站間之間存在導(dǎo)流墻，引起了泵站前池內(nèi)的回旋流動(dòng)，這可能會(huì)成為誘發(fā)泵站產(chǎn)生汽蝕的主要原因。針對(duì)這一問(wèn)題本文給出了在設(shè)計(jì)水位抽排工況下的改進(jìn)方案，即將導(dǎo)流墻長(zhǎng)度延長(zhǎng)為80cm并開三孔且在前池增加兩個(gè)消力墩。改進(jìn)方案對(duì)應(yīng)的模型試驗(yàn)中的具體布置情況如照片1所示。

照片1 改進(jìn)方案前池布置情況

改進(jìn)方案在設(shè)計(jì)水位抽排工況下，當(dāng)6臺(tái)泵全開、自排孔關(guān)閉時(shí)對(duì)應(yīng)的面層流態(tài)見圖3。

改進(jìn)方案把導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度延長(zhǎng)為80cm且開三孔并加消力墩，前池和導(dǎo)流墻周圍流態(tài)都明顯改善。

4.3 特征斷面流速分析

在模型中布置了1個(gè)位于進(jìn)水流道前5cm的流速測(cè)試斷面，在進(jìn)水流道中部布置6條測(cè)線，每個(gè)測(cè)線上布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，頂層測(cè)點(diǎn)在水面下方2cm，底層測(cè)點(diǎn)位于底板上方2cm，其余測(cè)點(diǎn)均勻分布。用來(lái)計(jì)算軸向流速分布均勻度，值越大，越符合水泵的進(jìn)水設(shè)計(jì)條件，η的計(jì)算公式如下[13]：

原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案各進(jìn)水流道平均流速分布及流速分布均勻度見表1和表2，改進(jìn)方案相比于原設(shè)計(jì)方案前池內(nèi)流態(tài)得到很好的改善，進(jìn)水流道進(jìn)口流速分布更均勻，回旋區(qū)進(jìn)一步減小，其中5#和6#流道進(jìn)口斷面流速分布均勻度得到了大幅提高。

表1 原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案各進(jìn)水流道前平均流速分布表 m/s

表2 原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案各進(jìn)水流道流速分布均勻度 %

5 結(jié) 論

本文對(duì)某泵站進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)研究，分析了泵站的進(jìn)水流態(tài)情況，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在的不足，采用模型試驗(yàn)對(duì)修改方案的優(yōu)越性進(jìn)行了驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（1）閘站結(jié)合式泵站由于導(dǎo)流墻的存在，容易出現(xiàn)前池發(fā)生復(fù)雜的流動(dòng)，該旋流動(dòng)會(huì)誘發(fā)水泵汽蝕的產(chǎn)生。

（2）改進(jìn)方案將自排閘與泵站間導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度延長(zhǎng)為80cm，并開三孔，且在前池布置消力墩，減少水流回旋，進(jìn)水流道前特征斷面上流速分布更加均勻，流態(tài)得到改善。

（3）本文的研究?jī)H在物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，對(duì)改進(jìn)方案中導(dǎo)流墻的長(zhǎng)度及型式的研究尚不夠完善，尤其是最優(yōu)的改進(jìn)方案還有待于借助數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步優(yōu)選。