軸伸貫流泵站全過流系統(tǒng)啟動(dòng)三維過渡過程研究

徐 輝 龔 嚴(yán) 曹春建 陳會(huì)向 闞 闞 馮建剛

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098； 2.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 杭州 311122；3.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院， 南京 211100)

0 引言

軸伸貫流泵是貫流泵的一種，其結(jié)構(gòu)特征是電機(jī)、軸承及傳動(dòng)設(shè)備布置在流道外，泵軸伸出流道，可以直接傳動(dòng)，也可以間接傳動(dòng)[1-3]，具有很好的雙向運(yùn)行功能，在南水北調(diào)工程及有防洪排澇、緊急調(diào)水需求的場(chǎng)合應(yīng)用較多[4]。軸伸貫流泵在啟動(dòng)過程中，由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程等相關(guān)參數(shù)的瞬態(tài)突變極易對(duì)機(jī)電設(shè)備造成巨大沖擊。因此深入研究軸伸貫流泵的啟動(dòng)過程對(duì)泵站機(jī)組的高效、安全、可靠運(yùn)行具有重要意義[5]。

一維特征線法是研究泵站機(jī)組啟動(dòng)過渡過程的初始方法[6-8]，但該方法無法精確捕捉系統(tǒng)內(nèi)部水流的瞬態(tài)流動(dòng)特性，具有一定的局限性[9]。雖然常規(guī)試驗(yàn)手段能夠真實(shí)反映水泵啟動(dòng)過程參數(shù)的瞬變規(guī)律，但過渡過程試驗(yàn)往往成本高、難度大，且具有一定的危險(xiǎn)性。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)的廣泛應(yīng)用，通過三維數(shù)值模擬方法求解水力機(jī)械過渡過程的研究取得了重大進(jìn)展[10-12]。文獻(xiàn)[13]采用三維方法對(duì)混流式泵站出口閥門瞬時(shí)開啟過程的參數(shù)變化及流場(chǎng)演變進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析；文獻(xiàn)[14]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)某離心泵啟動(dòng)過程的瞬態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；文獻(xiàn)[15]采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)離心泵啟動(dòng)過渡過程進(jìn)行了研究，并著重對(duì)該過程中水泵內(nèi)部流場(chǎng)漩渦結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律進(jìn)行了觀測(cè)分析；文獻(xiàn)[16]采用多相流模型(Volume of fluid, VOF)對(duì)立式軸流泵啟動(dòng)過程進(jìn)行了模擬，著重研究了啟動(dòng)過程虹吸式出水管內(nèi)空氣囊的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[17]對(duì)液控蝶閥聯(lián)動(dòng)的混流泵啟動(dòng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)啟動(dòng)過程中蝶閥聯(lián)動(dòng)對(duì)啟動(dòng)參數(shù)及泵內(nèi)流場(chǎng)的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析；文獻(xiàn)[18]基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)能夠較好地模擬水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。文獻(xiàn)[19]對(duì)加裝快速門的大型貫流泵加速啟動(dòng)過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，快速門以10倍設(shè)計(jì)速度啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速和流量也將快速達(dá)到額定值，同時(shí)最大倒灌流量增加了30%。在泵站機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，重力場(chǎng)對(duì)內(nèi)部流態(tài)影響較大，需要在數(shù)值模擬時(shí)加以考慮；同時(shí)貫流泵的斷流裝置多為快速閘門及其附加拍門，其形式簡(jiǎn)單、阻力損失很小，主要特點(diǎn)就是可以全開或全關(guān)，特別適用于上游水位變幅較大和淹沒較深的情況[8,20]。由于貫流式泵站出水流道較短，泵機(jī)組在啟動(dòng)過程中開閘啟動(dòng)，閘門的開啟規(guī)律與水泵啟動(dòng)特性密切相關(guān)，因此需要結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)軸伸貫流泵啟動(dòng)過程進(jìn)行研究，以期為泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高提供可靠依據(jù)。

本文基于ANSYS Fluent平臺(tái)對(duì)軸伸貫流泵全過流系統(tǒng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，針對(duì)軸伸貫流泵全過流系統(tǒng)模型，基于鋪層網(wǎng)格及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究快速閘門及其附加拍門的動(dòng)態(tài)開啟過程，分析機(jī)組啟動(dòng)過程中外特性參數(shù)變化規(guī)律及內(nèi)部流場(chǎng)演變過程，探究快速閘門及其附加拍門對(duì)系統(tǒng)內(nèi)流態(tài)的影響，以期為泵站瞬態(tài)過程安全控制提供理論參考。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 幾何模型

本文計(jì)算模型基于秦淮新河臥式雙向全調(diào)節(jié)軸伸貫流泵機(jī)組，采用帶有雙拍門的快速閘門作為截流裝置，泵站的特征參數(shù)如表1所示[21]，軸伸貫流泵裝置幾何模型如圖1所示。

表1 貫流泵機(jī)組特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of tubular pump unit

1.2 邊界條件

進(jìn)口設(shè)置在進(jìn)水池的三側(cè)斷面，采用壓力進(jìn)口邊界；出口設(shè)置在出水池的三側(cè)斷面，采用壓力出口邊界條件。由于貫流泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程較低，重力場(chǎng)對(duì)內(nèi)部流態(tài)影響較大，為了更真實(shí)地模擬進(jìn)出口邊界，在計(jì)算時(shí)考慮重力項(xiàng)，并通過用戶自定義函數(shù)(User defiend function, UDF)將進(jìn)出口設(shè)置成壓力沿水深變化。針對(duì)機(jī)組啟動(dòng)瞬態(tài)計(jì)算，初始條件為：流體域的全場(chǎng)速度為零，即表示靜止流體，葉輪的初始轉(zhuǎn)速為零，代表機(jī)組當(dāng)前處于停機(jī)狀態(tài)。貫流泵裝置進(jìn)水流道邊壁、葉輪外壁、輪轂以及前后導(dǎo)葉體邊壁等固體壁面采用無滑移條件，而近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

時(shí)間步長(zhǎng)的選擇：按照相關(guān)文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)，時(shí)間步長(zhǎng)Δt可根據(jù)最小網(wǎng)格尺寸除以特征速度進(jìn)行估算。此處，以最小網(wǎng)格尺寸除以最大來流速度來確定計(jì)算中所采用的時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算模型在啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)輪區(qū)網(wǎng)格尺寸最小。轉(zhuǎn)輪區(qū)域網(wǎng)格最小尺寸為12 mm，轉(zhuǎn)輪區(qū)域來流速度小于11.0 m/s，所以取Δt≈0.001 1 s，考慮到頻譜、漩渦等特性導(dǎo)致的誤差情況，啟動(dòng)過程時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s。

1.3 網(wǎng)格劃分

為了獲得高效合理的離散網(wǎng)格分辨率，建立了4組不同的貫流泵裝置全過流系統(tǒng)網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比分析。為了提高計(jì)算精度并通過減少網(wǎng)格數(shù)以提高計(jì)算效率，通過ANSYS-ICEM軟件對(duì)整個(gè)流體域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)所劃分的4種不同尺度網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析。其中，4種劃分方案網(wǎng)格數(shù)分別選取286萬、374萬、466萬、515萬。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過466萬時(shí)，力矩和流量相對(duì)變化值小于1.6%。因此，最終確定整個(gè)泵裝置全過流系統(tǒng)計(jì)算域網(wǎng)格取466萬。為了證明數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可信性，采用文獻(xiàn)[22]推薦的方法，基于Richardson外推理論，對(duì)本文所選取的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格收斂性檢查[23]，經(jīng)過計(jì)算，本文網(wǎng)格解的數(shù)值不確定度為2.71%。該網(wǎng)格方案下流體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示。本文采用的SSTk-ω湍流模型是一種不同流動(dòng)區(qū)域自適應(yīng)的湍流模型，考慮到瞬態(tài)計(jì)算的復(fù)雜性和計(jì)算量較大，對(duì)于主要過流部件，30

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

軸伸貫流泵機(jī)組內(nèi)部流域的介質(zhì)為水，為不可壓縮粘性流體，控制方程為連續(xù)性方程與納維斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程[25]。

對(duì)軸伸貫流泵機(jī)組啟動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，在電機(jī)電磁力矩帶動(dòng)葉輪從靜止開始旋轉(zhuǎn)過程中，流場(chǎng)的大幅改變會(huì)導(dǎo)致葉輪葉片表面所受水體阻力矩發(fā)生變化，能否準(zhǔn)確捕捉和模擬葉輪轉(zhuǎn)速的提升規(guī)律是三維過渡過程的關(guān)鍵。此處引入力矩平衡方程，利用非定長(zhǎng)數(shù)值計(jì)算在不同離散時(shí)間步長(zhǎng)上進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)的特點(diǎn)，通過每一時(shí)間逐步推進(jìn)計(jì)算轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速下一時(shí)刻的數(shù)值，對(duì)于啟動(dòng)過程，初始機(jī)組為靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)速為零。力矩平衡方程為[26]

(1)

式中M0——水泵機(jī)組啟動(dòng)過程中的電機(jī)電磁力矩，N·m

M1——水泵機(jī)組啟動(dòng)過程中葉輪所受水阻力矩，N·m

M2——機(jī)組啟動(dòng)過程中軸承的摩擦力矩，N·m

M3——機(jī)組啟動(dòng)過程中電機(jī)的風(fēng)損力矩，本文模擬中忽略不計(jì)，N·m

J——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

t——時(shí)間，s

ω——機(jī)組葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

n——機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速，r/min

在試驗(yàn)過程中觀測(cè)確定拍門開啟時(shí)刻和拍門開啟最大值時(shí)刻，將拍門的開啟過程簡(jiǎn)化為勻速打開過程，由此得到拍門開度隨時(shí)間變化的曲線，同時(shí)，選取了典型時(shí)刻進(jìn)行校驗(yàn)，誤差符合基本要求?？焖匍l門及附加拍門開啟速度的顯式關(guān)系式為：

附加拍門

(2)

式中αd——活動(dòng)拍門開度

α0——拍門最大開度

αd/α0——拍門相對(duì)開度

快速閘門

(3)

式中αg——快速閘門開度

αg/α0——快速閘門相對(duì)開度

2.2 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

本文所研究軸伸貫流泵機(jī)組具有“S”形出水流道，出水流道中含有快速閘門及其附加拍門。在對(duì)快速閘門及其附加拍門進(jìn)行三維數(shù)值模擬時(shí)，運(yùn)用鋪層網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)建，模擬拍門啟閉過程[27]。在數(shù)值模擬過程中，拍門總體滑移速度與閘門啟閉速度相同，同時(shí)拍門按照兩側(cè)水壓進(jìn)行開啟和關(guān)閉。圖3為快速閘門及拍門流體網(wǎng)格開啟過程不同時(shí)刻位置，圖中t1～t4表示開啟過程中的不同時(shí)刻。

2.3 湍流模型及離散方法

軸伸貫流泵在運(yùn)行過程中，邊界層附近會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離，剪切壓力輸運(yùn)(Shear stress transport, SST)k-ω湍流模型能夠有效預(yù)測(cè)逆壓力梯度條件下的流動(dòng)分離，因此選用SSTk-ω湍流模型對(duì)控制方程進(jìn)行封閉[28]。采用有限體積法離散方程組，方程組中壓力項(xiàng)采用Body Force Weight格式，對(duì)流項(xiàng)、湍動(dòng)能以及耗散率采用二階迎風(fēng)格式。采用協(xié)調(diào)一致的求解壓力耦合方程組的半隱式方法SIMPLEC算法對(duì)流場(chǎng)方程進(jìn)行聯(lián)立求解，不同區(qū)域間采用interface進(jìn)行信息傳遞。

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，在該泵站進(jìn)行真機(jī)機(jī)組壓力脈動(dòng)測(cè)試。在前置導(dǎo)葉段部位開孔，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)測(cè)試，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值和數(shù)值模擬中壓力脈動(dòng)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)上下游水位約2.2 m，試驗(yàn)真機(jī)轉(zhuǎn)速為250 r/min，試驗(yàn)中壓力傳感器作用為監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力的測(cè)量，可編程邏輯控制器(Programmable logic controller, PLC)作用為接收測(cè)量?jī)x表模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)物理值。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及設(shè)備如圖4所示。

圖5為軸伸貫流泵開機(jī)過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比圖?？梢钥闯?，數(shù)值模擬與試驗(yàn)值總體變化趨勢(shì)一致，吻合較好，在水泵揚(yáng)程達(dá)到最大值時(shí)，兩者出現(xiàn)偏差，且試驗(yàn)值達(dá)到平衡的時(shí)間滯后于模擬值。兩者之間存在誤差的可能原因是所測(cè)壓力脈動(dòng)信號(hào)夾雜有噪聲等干擾信號(hào)，使得試驗(yàn)工況與實(shí)際設(shè)計(jì)工況有所偏差。綜上所述，數(shù)值模擬在一定程度上能較真實(shí)地反映軸伸貫流泵啟動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)特性，因此可作為研究貫流泵啟動(dòng)過程的有效方法和手段。

3.2 外特性參數(shù)變化分析

圖6(圖中α/α0表示相對(duì)開度)為貫流泵機(jī)組啟動(dòng)過程中葉輪轉(zhuǎn)速、出水流道快速閘門及拍門相對(duì)開度的變化規(guī)律，可以看出，葉輪轉(zhuǎn)速近似呈直線規(guī)律上升，在t=2.95 s時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)葉輪到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，由于二次限速機(jī)的作用轉(zhuǎn)速即刻保持不變?？焖匍l門開啟后其開度按直線規(guī)律上升，在t=34 s時(shí)完全開啟；拍門在t=0.13 s時(shí)由水沖開，在t=1.92 s時(shí)被完全沖開。拍門隨閘門勻速上升，當(dāng)t=21.67 s時(shí)拍門開始離開水面，t=21.77 s時(shí)完全脫離水面，t=34 s時(shí)，閘門完全打開。

圖7為貫流泵全過流系統(tǒng)進(jìn)口流量Q、閘門通過流量Q1和拍門通過流量Q2隨時(shí)間t分布的曲線。從圖7可知，進(jìn)口流量隨轉(zhuǎn)速上升逐漸增大直至t=4.66 s時(shí)流量逐漸平穩(wěn)，水泵機(jī)組額定流量為10 m3/s。拍門流量先逐漸上升，在t=4.12 s時(shí)到達(dá)最大值后逐漸降低，直至拍門離開水面，過水流量減為零。由于存在拍門分流，閘門流量低于進(jìn)口流量，在t=0.13 s后逐漸上升直至閘門全部打開時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

由圖6和圖7對(duì)比可以看出，拍門流量達(dá)到最大值滯后于葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值；進(jìn)口流量達(dá)到最大值又滯后于拍門流量達(dá)到最大值。

圖8為泵段揚(yáng)程和拍門前后壓差隨時(shí)間的變化規(guī)律。其中，泵段揚(yáng)程為啟動(dòng)過程中泵段前后的壓力差，表現(xiàn)為泵段前后的實(shí)際提水揚(yáng)程；拍門前后壓差為啟動(dòng)過程中拍門前后降低的水頭數(shù)值，表現(xiàn)為拍門分流對(duì)壓力的削減作用。

由圖8可以看出，泵段揚(yáng)程先增大而后減小至額定揚(yáng)程，t=2.25 s時(shí)，泵段揚(yáng)程的最大峰值出現(xiàn)，最大啟動(dòng)揚(yáng)程為6.38 m；t=2.64 s時(shí)，泵段揚(yáng)程的次峰值出現(xiàn)，為5.01 m；拍門前后壓差從t=0.13 s后開始逐漸增大，t=2.64 s時(shí)，拍門前后壓差最大值是2.61 m，此后拍門前后壓差隨著轉(zhuǎn)速上升逐漸降低，t=23.11 s時(shí)降低為零?？傮w分析圖8可以得出，葉輪轉(zhuǎn)速升高至最大值的時(shí)刻滯后于拍門前后壓差達(dá)到最大值的時(shí)刻，拍門前后壓差達(dá)到最大值時(shí)刻滯后于泵段揚(yáng)程達(dá)到最大值的時(shí)刻，而拍門前后壓差的峰值會(huì)帶來泵段揚(yáng)程的二次峰值。

3.3 內(nèi)部流場(chǎng)演變分析

圖9為軸伸貫流泵啟動(dòng)過程中泵段部分不同時(shí)刻流線分布圖。水泵剛進(jìn)入啟動(dòng)過程時(shí)流道內(nèi)流速基本為零，當(dāng)水泵通道內(nèi)水流逐漸增大、流動(dòng)逐步發(fā)展時(shí)，在旋轉(zhuǎn)葉輪的作用下，葉輪區(qū)流態(tài)紊亂，同時(shí)各種不良流態(tài)向上下游傳播。如圖9b所示，隨著貫流泵啟動(dòng)過程的進(jìn)行，水泵轉(zhuǎn)速和流量進(jìn)一步增大，葉片進(jìn)水邊對(duì)水流的沖角逐漸減小，葉輪段和前置導(dǎo)葉段流動(dòng)改善，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速和流量逐漸接近額定工況時(shí)，水泵通道內(nèi)流速逐漸穩(wěn)定，在后置導(dǎo)葉出口具有一定環(huán)量的水流呈螺旋狀進(jìn)入出水彎管，在離心力作用下會(huì)產(chǎn)生趨向于流道邊壁的運(yùn)動(dòng)。隨著水泵啟動(dòng)過程逐步完成，其運(yùn)行工況進(jìn)入較優(yōu)運(yùn)行工況點(diǎn)，出水流道螺旋狀流動(dòng)逐漸消失，水流流線平滑順直。

為了方便研究啟動(dòng)過程中水流沿葉片和導(dǎo)葉翼型繞流情況，選取輪轂至輪緣中等跨度(Span值為0.5)的近似圓周截面進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖11為中等跨度截面不同時(shí)刻的流線分布圖。啟動(dòng)初始階段，葉輪段水流在葉輪旋轉(zhuǎn)的作用下在圓周方向逐漸加速，并在葉輪進(jìn)出水邊形成小尺度的漩渦。如圖11c～11e所示，在啟動(dòng)過程中，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的持續(xù)升高，泵段中部葉輪附近的高速區(qū)也逐漸增大，葉輪進(jìn)出口的渦分別向上下游傳播，前置導(dǎo)葉下側(cè)的漩渦比后置導(dǎo)葉上側(cè)的漩渦要小，這是由前置導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)平直，流態(tài)受水平來流影響較小導(dǎo)致的；在水泵機(jī)組流量尚未達(dá)到額定流量前，由于流體質(zhì)點(diǎn)通過葉輪后，葉輪出口流體速度與后置導(dǎo)葉進(jìn)口形成的攻角關(guān)系并不匹配，導(dǎo)致后置導(dǎo)葉上側(cè)的流動(dòng)發(fā)生明顯的流動(dòng)分離。啟動(dòng)過程基本完成時(shí)，導(dǎo)葉區(qū)域和葉輪區(qū)域內(nèi)水流流線平滑順直，流態(tài)較好，無漩渦回流等不良流態(tài)發(fā)生。

圖12為機(jī)組啟動(dòng)過程中不同時(shí)刻葉輪葉片表面靜壓分布云圖，圖中左側(cè)表示壓力面，右側(cè)表示吸力面。水泵剛啟動(dòng)時(shí)，葉片壓力面與吸力面壓差不大，葉片壓力面壓力略高于吸力面(t=0.2 s)。隨著水泵啟動(dòng)過程的進(jìn)行，壓力面與吸力面壓差逐漸增大，壓力面葉片外緣及葉片中間出現(xiàn)局部高壓區(qū)域，吸力面前緣及靠近前緣中部低壓區(qū)域逐漸擴(kuò)大(t=1.8 s)。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值時(shí)，葉輪段葉片壓力面與吸力面的壓差達(dá)到最大值(t=3.0 s)。當(dāng)水泵內(nèi)流態(tài)與揚(yáng)程逐漸穩(wěn)定，只有葉片前緣進(jìn)水側(cè)存在低壓與高壓區(qū)域，其余葉片表面靜壓基本保持不變(t=10.0 s)。由此可見，貫流泵在啟動(dòng)過程中水流對(duì)葉片表面的瞬態(tài)效應(yīng)明顯，這種瞬態(tài)沖擊使葉片表面載荷急劇增加，葉片承受交變作用力，導(dǎo)致葉片的振動(dòng)與變形。

本文運(yùn)用Q準(zhǔn)則等值面來研究漩渦核心區(qū)域在葉輪通道內(nèi)的演變過程，圖13為不同時(shí)刻葉輪區(qū)渦核分布。在啟動(dòng)過程的開始階段(t=0.2 s)，葉輪從靜止剛開始加速，葉片前緣和后緣位置均可觀察到少量渦核區(qū)，這是由于靜止水體在剛啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)的葉輪作用下產(chǎn)生的速度梯度所形成的漩渦。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加(t=0.6 s)，渦核區(qū)域增大，大量的渦核區(qū)域出現(xiàn)在葉片前緣和葉間通道內(nèi)，這些渦核堵塞葉間通道，使得葉輪內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定性加劇。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加(t=1.4 s)，葉輪內(nèi)部渦核區(qū)域逐步消失，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速并開始穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)(t=3.0 s)，葉片前緣只存在一個(gè)很小的渦核區(qū)域。渦核區(qū)域的演變規(guī)律與葉輪葉片壓力面靜壓變化規(guī)律相似，都是先增大后減小，但是由于葉輪葉片靜壓變化主要受葉輪轉(zhuǎn)速的影響，而渦核區(qū)域的演變主要受葉輪區(qū)域流動(dòng)影響，由于葉輪區(qū)域流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定且提前于葉輪轉(zhuǎn)速上升至最大值，因此葉輪葉片表面靜壓變化極值出現(xiàn)時(shí)，葉輪段較大尺度漩渦已經(jīng)接近消失。

貫流式泵站機(jī)組在啟動(dòng)過程中，當(dāng)機(jī)組開機(jī)時(shí)，快速閘門和附加拍門相互配合，輔助水泵機(jī)組正常啟動(dòng)。圖14為貫流泵啟動(dòng)過程中不同時(shí)刻閘門附加拍門處速度分布。如圖14a所示，在t=0.2 s時(shí)機(jī)組處于反水泵工況，閘門初始提升高度較小，流速較低且流態(tài)平穩(wěn)。隨著貫流泵啟動(dòng)過程的推進(jìn)，水泵轉(zhuǎn)速升高，快速閘門和兩個(gè)附加拍門開啟，當(dāng)拍門完全被水沖開后，流態(tài)紊亂，在閘門與出水池接觸側(cè)出現(xiàn)漩渦且漩渦隨著閘門的運(yùn)動(dòng)而上移，隨著閘門的逐漸開啟，閘門處過流面積增大，閘門后方漩渦區(qū)域減小并逐漸消失。t=35.0 s時(shí), 機(jī)組完全啟動(dòng)，整個(gè)流道內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)，無明顯的回流、漩渦等不良流態(tài)。由此可見，閘門上的附加拍門在貫流泵啟動(dòng)過程中起到了很好的分流作用，避免了閘門瞬時(shí)開啟時(shí)閘門兩側(cè)壓力發(fā)生突變和因葉輪轉(zhuǎn)速上升較快同時(shí)閘門未充分開啟時(shí)出水流道水壓力過大可能帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)基于力矩平衡方程，利用鋪層網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)軸伸貫流泵全過流系統(tǒng)啟動(dòng)三維過渡過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬得到的壓力脈動(dòng)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，證明了數(shù)值模擬的可靠性。

(2)在機(jī)組啟動(dòng)過程中，泵段揚(yáng)程先增大，然后減小至額定揚(yáng)程，2.25 s時(shí)出現(xiàn)最大啟動(dòng)揚(yáng)程6.38 m；拍門前后壓差最大值是2.61 m，設(shè)有附加拍門的出水流道閘門可以有效降低啟動(dòng)過程中的最大啟動(dòng)揚(yáng)程。同時(shí)，附加拍門還可以起到很好的分流作用，避免閘門瞬時(shí)開啟時(shí)閘門兩側(cè)壓力發(fā)生突變，以及因葉輪轉(zhuǎn)速上升較快、閘門未充分開啟而使出水流道水壓力過大，從而帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性問題。

(3)在啟動(dòng)過程中，泵段內(nèi)流線隨流量的增大而逐漸紊亂，水泵的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和流量變化對(duì)葉輪段壓力分布梯度影響明顯，當(dāng)葉輪啟動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值時(shí)，葉輪段葉片壓力面與吸力面的壓差達(dá)到最大值。