泵站進(jìn)水流速對(duì)2種進(jìn)水方式的表面漩渦特性影響的研究

高傳昌，高余鑫，汪順生，高志鍇

?灌溉技術(shù)與裝備?

泵站進(jìn)水流速對(duì)2種進(jìn)水方式的表面漩渦特性影響的研究

高傳昌，高余鑫*，汪順生，高志鍇

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

【】探究不同進(jìn)水流速對(duì)泵站進(jìn)水水流流態(tài)、漩渦的產(chǎn)生與發(fā)展變化規(guī)律的影響。結(jié)合泵站實(shí)際運(yùn)行情況，采用NX UG 10.0軟件構(gòu)建泵站封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水和開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水2種進(jìn)水方式的進(jìn)水物理模型及三維湍流數(shù)學(xué)模型，采用雷諾N-S方程、VOF模型和非定常的SST湍流模型。對(duì)2種進(jìn)水方式下不同進(jìn)水流速的進(jìn)水流場分布和漩渦的產(chǎn)生、變化及分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。在滿足泵站進(jìn)水口臨界淹沒水深時(shí)，2種進(jìn)水方式下的進(jìn)水表面漩渦強(qiáng)度隨著進(jìn)水流速的增加逐漸增強(qiáng)，并對(duì)2種進(jìn)水表面出現(xiàn)的漩渦類型與進(jìn)水流速變化的區(qū)間進(jìn)行了劃分；封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水流速在0.217～0.304、0.349～0.448、0.482～0.554、0.575～0.661 m/s時(shí)，漩渦類型分別為Ⅰ和Ⅱ型渦、Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦；開敞式垂直進(jìn)水流速在0.322～0.402、0.484、0.521～0.564 m/s時(shí)，漩渦類型分別為Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦，開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水的水體中同時(shí)產(chǎn)生表面漩渦和水中漩渦；數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。對(duì)封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水方式的泵站工程，進(jìn)水流速不應(yīng)大于0.349 m/s；對(duì)開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水方式的泵站工程，進(jìn)水流速不應(yīng)大于0.322 m/s。

泵站；進(jìn)水流速；漩渦；數(shù)值計(jì)算；模型試驗(yàn)

0 引言

【研究意義】我國是世界上泵站數(shù)量最多、規(guī)模最大、類型最豐富的國家。由于泵站結(jié)構(gòu)、水泵型式和運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，使得由前池、進(jìn)水池、進(jìn)水流道等組成的泵站進(jìn)水系統(tǒng)常存在自由表面漩渦和次表面漩渦，對(duì)水泵運(yùn)行穩(wěn)定性、效率和空化性能產(chǎn)生直接影響[1]。因此，研究泵站進(jìn)水系統(tǒng)漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理，從而發(fā)現(xiàn)影響進(jìn)水水流流動(dòng)特性的因素，提出防止泵站進(jìn)水池流態(tài)紊亂的有效措施，對(duì)保證泵站安全、高效和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

【研究進(jìn)展】泵站進(jìn)水漩渦一般分為表面漩渦和水中漩渦，其中表面漩渦對(duì)工程影響較大，是泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理關(guān)注的重點(diǎn)，為此許多學(xué)者針對(duì)影響泵站進(jìn)水水流流態(tài)與表面漩渦產(chǎn)生的因素進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。資丹等[2]研究了進(jìn)水池垂直布置下喇叭管懸空高、后壁距和淹沒深度對(duì)進(jìn)水池水流流態(tài)和水泵水力性能的影響，并給出了最優(yōu)組合參數(shù)。丁光浩[3]認(rèn)為泵裝位置及一定流量條件下，泵喇叭口的淹沒深度決定著表面漩渦的形態(tài)，為此進(jìn)行了矩形進(jìn)水池垂直布置的吸水喇叭管的懸空高、后壁距、池寬和流量對(duì)臨界淹沒深度的影響的試驗(yàn)研究，給出了相應(yīng)的臨界淹沒深度的經(jīng)驗(yàn)公式。胡去劣[4]對(duì)封閉式進(jìn)水的發(fā)電隧洞進(jìn)水口的水流特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出用低福氏數(shù)進(jìn)水口分區(qū)成渦的規(guī)律及無渦進(jìn)水口的體型設(shè)計(jì)；當(dāng)進(jìn)口福氏數(shù)小于第一臨界值時(shí)，不論進(jìn)口淹沒深度大或小均無漩渦發(fā)生；當(dāng)進(jìn)口福氏數(shù)小于第二臨界值時(shí)，不會(huì)發(fā)生偶發(fā)性串通漩渦；當(dāng)進(jìn)口福氏數(shù)大于第二臨界值時(shí)，隨著相對(duì)淹沒深度的增加，將會(huì)發(fā)生表面凹陷型漩渦、偶發(fā)性串通漩渦等情況。劉樹紅等[5-6]為了對(duì)開敞式水泵進(jìn)水池流場的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，取計(jì)算和試驗(yàn)的進(jìn)水池水深為0.3 m，研究進(jìn)水流速分別為0.4 m/s和0.55 m/s對(duì)進(jìn)水池流場和產(chǎn)生吸氣漩渦的影響。王自明等[7]研究了進(jìn)水口淹沒深度H/D及淹沒弗勞徳數(shù)與泵站進(jìn)水口吸氣漩渦之間的關(guān)系，結(jié)果表明：臨界淹沒深度和淹沒弗勞徳數(shù)可判斷泵站進(jìn)水口是否發(fā)生吸氣漩渦。文獻(xiàn)[8-13]運(yùn)用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法研究了進(jìn)水喇叭口的懸空高、后壁距、臨界淹沒水深、水中空氣量和后壁平面形狀對(duì)進(jìn)水池內(nèi)部的漩渦結(jié)構(gòu)及表面吸氣渦的動(dòng)態(tài)過程和特性的影響，揭示了表面吸氣渦形成及抑制機(jī)理，得到了漩渦強(qiáng)度與淹沒深度的關(guān)系。為了探究自由表面漩渦產(chǎn)生和發(fā)展的機(jī)理，許多學(xué)者采用V3V技術(shù)和PIV技術(shù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了自由表面漩渦的流場結(jié)構(gòu)，得到了自由表面漩渦的產(chǎn)生和變化規(guī)律[14-19]。由此可見，以往研究主要集中在進(jìn)水口淹沒深度對(duì)表面漩渦形成機(jī)理和漩渦流場結(jié)構(gòu)發(fā)展過程的影響，以及與表面漩渦特性之間的關(guān)系。

【切入點(diǎn)】我國《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]規(guī)定，對(duì)進(jìn)水管道進(jìn)水的以喇叭口中心的臨界淹沒深度和對(duì)流道進(jìn)水的流道進(jìn)口上緣應(yīng)淹沒在進(jìn)水池最低運(yùn)行水位以下至少0.5 m的淹沒深度來防止泵站進(jìn)水表面漩渦的產(chǎn)生。作者在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵站2種進(jìn)水方式的淹沒深度滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求時(shí)，進(jìn)水水流流速對(duì)表面漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展具有較大的影響，但針對(duì)不同進(jìn)水流速對(duì)泵站不同進(jìn)水方式形成的進(jìn)水漩渦的影響研究甚少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，本文以黃河下游2座不同進(jìn)水方式的泵站為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，開展不同進(jìn)水流速下封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水和開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水的進(jìn)水水流流態(tài)和進(jìn)水漩渦特性的研究，分析不同進(jìn)水流速對(duì)進(jìn)水流態(tài)和進(jìn)水漩渦特性的影響，提出防止泵站進(jìn)水池流態(tài)紊亂和有害漩渦產(chǎn)生的進(jìn)水流速值，以期為泵站工程設(shè)計(jì)和更新改造提供參考。

1 泵站2種進(jìn)水方式的進(jìn)水模型

1.1 封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水模型

封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水模型取自于黃河下游邢家渡引黃閘前泵站，泵站包括進(jìn)水前池、進(jìn)水閘室、簸箕形進(jìn)水流道、機(jī)組、出水池等。裝有設(shè)計(jì)流量為12.5 m3/s的軸流潛水泵4臺(tái)。進(jìn)水前池設(shè)計(jì)水位23.0 m，最低運(yùn)行水位22.4 m；進(jìn)水閘室與簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口寬度均為4.5 m；簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口高度為2.8 m；進(jìn)水前池、進(jìn)水閘室和簸箕形進(jìn)水流道底板高程均為18.17 m，進(jìn)水前池最小水深為4.23 m，進(jìn)水流道進(jìn)口上緣淹沒在進(jìn)水池最低運(yùn)行水位以下1.43 m，滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。模型比尺為1∶7，由進(jìn)水前池、進(jìn)水閘室、簸箕形進(jìn)水流道及其出口延長段4部分組成。泵站模型進(jìn)水前池的長寬高分別為2 000、643、690 mm；進(jìn)水閘室的長寬高分別為1 214.29、643、690 mm；簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口高度和寬度分別為400、643 mm；進(jìn)水流道出口延長段為2倍出口直徑的長度520 mm，如圖1所示。

圖1 封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水模型布置及特征截面示意

1.2 開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型

開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型取自于黃河下游田山一級(jí)泵站，泵站包括進(jìn)水閘、前池、進(jìn)水池、泵房出水池等，裝有設(shè)計(jì)流量為2.98 m3/s的軸流泵12臺(tái)。該泵站為開敞式矩形進(jìn)水池，中間用隔墩分成左右對(duì)稱的單泵進(jìn)水池，進(jìn)水池池長為6.72 m，單泵進(jìn)水池池寬為3.3 m，池底高程為30.4 m，進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位為34.3 m，最低運(yùn)行水位為33.0 m；懸空高度為1.2 m，后墻距為1.26 m；進(jìn)水管直徑為900 mm，進(jìn)水喇叭口直徑為1 280 mm，如圖 2 所示。進(jìn)水池最小水深為2.6 m，喇叭口中心最小淹沒深度為1.4 m，滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。模型比尺1：10，包括引渠、前池、進(jìn)水池、進(jìn)水池隔墩、喇叭管和進(jìn)水管6部分。引渠長寬分別為250、250 mm；前池長1 020 mm，前池進(jìn)、出口寬分別為250、750 mm，擴(kuò)散角27.54°，底坡0.06；進(jìn)水池池長672 mm，單泵進(jìn)水池池寬330 mm；進(jìn)水池隔墩長寬分別為672、90 mm；進(jìn)水喇叭口直徑128 mm，高度51 mm。進(jìn)水管直徑90 mm，長度500 mm；懸空高度為120 mm，后墻距為126 mm，如圖2所示。

圖2 開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型布置及特征截面示意

2 數(shù)值計(jì)算模型及方案

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用NX UG 10.0軟件分別建立封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水和開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水物理模型。封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水物理模型包括：進(jìn)水前池、進(jìn)水閘室、進(jìn)水流道及其出口延長段，如圖3（a）所示；開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水的進(jìn)水物理模型包括：引渠、前池、進(jìn)水池、進(jìn)水池隔墩、喇叭管和進(jìn)水管，如圖3（b）所示。

圖3 計(jì)算模型

計(jì)算采用非定常的SST湍流模型和VOF模型；壓力速度耦合采用SIMPLE算法；離散方法為有限體積法；動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。

封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水物理模型進(jìn)口和出口1采用速度邊界條件，出口2為壓力邊界條件（其大小為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），壁面設(shè)為無滑移壁面；采用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格剖分，選擇適應(yīng)性較好的混合網(wǎng)格（邊界為多面體網(wǎng)格，內(nèi)部為六面體網(wǎng)格），經(jīng)網(wǎng)格數(shù)目的無關(guān)性分析后確定網(wǎng)格數(shù)量為676.0萬，其中：進(jìn)水前池部分網(wǎng)格數(shù)量為457.6萬，進(jìn)水閘室為60.1萬，進(jìn)水流道為147.3萬，出水管為11.0萬，如圖4（a）所示。

開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水的進(jìn)水物理模型進(jìn)口和出口采用速度邊界條件，出口1設(shè)置為壓力邊界條件，大小為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壁面為無滑移壁面；采用Ansys 2020將模型網(wǎng)格剖分為適應(yīng)性較好的混合網(wǎng)格即邊界為多面體網(wǎng)格，內(nèi)部為六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)目的無關(guān)性分析確定網(wǎng)格數(shù)量為390.7萬，其中：引渠部分網(wǎng)格數(shù)量為28.3萬，前池為163.8萬，左側(cè)進(jìn)水池為90.3萬，右側(cè)進(jìn)水池為89.5萬，左、右二側(cè)進(jìn)水管均為9.4萬，如圖4（b）所示。

圖4 模型網(wǎng)格剖分

2.2 數(shù)值計(jì)算方案

2.2.1計(jì)算水深

封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水模型進(jìn)水前池最小水深604 mm，進(jìn)水流道進(jìn)口上緣淹沒在進(jìn)水池最低運(yùn)行水位以下淹沒深度204 mm；開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型進(jìn)水池最小水深260 mm，喇叭口中心最小淹沒深度140 mm，均滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2.2.2計(jì)算方案

不同進(jìn)水流速分別對(duì)封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水模型和開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型的水力特性影響的數(shù)值模擬計(jì)算方案，如表1所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算方案

2.3 分析截面選取

封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水物理模型選擇1-1截面（自由水面）、2-2截面（進(jìn)水流道進(jìn)口上緣水平面）和3-3截面（距進(jìn)水流道進(jìn)口0.5的橫截面），對(duì)上述截面分別進(jìn)行流態(tài)分析，特征截面示意見圖1；開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型選擇右側(cè)進(jìn)水池的1-1截面（自由水面）、2-2截面（喇叭管進(jìn)口水平面）、3-3截面（喇叭管進(jìn)口中心縱截面）、4-4截面（進(jìn)水池右部中間縱截面）、5-5截面（進(jìn)水池右部邊壁縱截面）和6-6截面（喇叭管進(jìn)口后部邊緣橫截面）進(jìn)行流態(tài)分析，特征截面示意見圖2。

3 結(jié)果與分析

3.1 封閉式流道進(jìn)水計(jì)算結(jié)果

3.1.1特征截面流態(tài)

1）水平截面流態(tài)。不同流速下，自由水面（1-1截面）和進(jìn)水流道進(jìn)口上緣水平面（2-2截面）的流速和流線分布如圖5所示。由圖5可知，自由水面的不同流速值的分布區(qū)隨著進(jìn)水流速的增大逐漸增多，呈現(xiàn)出前部流速大于后部流速的分布，后部壁面處最小，且內(nèi)部大于邊壁；流線分布前部平順，后部比較紊亂，其中在上下側(cè)邊壁和后壁處最為紊亂，并于上下側(cè)邊壁處形成漩渦，漩渦位置基本相同，數(shù)量2個(gè)或3個(gè)。進(jìn)水流道進(jìn)口上緣水平面的流速分布隨著進(jìn)水流速的增大與自由水面的流速分布相反，前部小于后部，后部壁面處最大，呈比較規(guī)則的帶狀分布；流線分布比較平順，在后部后壁處彎曲發(fā)散。在進(jìn)水流速為0.217 m/s時(shí)，自由水面的后部產(chǎn)生了漩渦，但進(jìn)水流道進(jìn)口上緣水平面無漩渦，漩渦沒有進(jìn)入到流道進(jìn)口就消失了；當(dāng)進(jìn)水流速為0.349 m/s時(shí)，自由水面和流道進(jìn)口上緣水平面的上下側(cè)邊壁處均出現(xiàn)漩渦，說明漩渦已進(jìn)入到流道進(jìn)口，而隨著進(jìn)水流速的增加，自由水面和流道進(jìn)口上緣水平面產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。

2）橫向截面流態(tài)。不同流速下，距進(jìn)水流道進(jìn)口0.5的橫截面（3-3截面）的流速和流線分布如圖6所示。由圖6可以看出，距進(jìn)水流道進(jìn)口0.5H的橫截面的不同流速值的分布區(qū)隨著進(jìn)水流速的增大逐漸增多，下部流速分布區(qū)的數(shù)值逐漸增大，且均為下部流速大于上部流速的分布規(guī)律；流線分布則表現(xiàn)為在水面附近的兩側(cè)邊壁處比較紊亂，并形成表面漩渦，水面以下的流線比較平順，不同進(jìn)水流速下均無水中漩渦產(chǎn)生。

圖6 橫向截面流速和流線分布

3.1.2漩渦分布

10種流速下，進(jìn)水閘室和進(jìn)水流道形成的漩渦如圖7所示。根據(jù)圖7中不同進(jìn)水流速對(duì)應(yīng)的表面漩渦分布狀況，結(jié)合美國麻省Worcester綜合研究所Alden實(shí)驗(yàn)室將表面漩渦分為6型[21]的標(biāo)準(zhǔn)，封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水流速在0.217～0.304 m/s，進(jìn)水閘室水面比較平穩(wěn)，水面以下的水體中有少量氣泡，且未進(jìn)入進(jìn)水流道，漩渦類型為Ⅰ、Ⅱ型；流速在0.349～0.448 m/s時(shí)，水面開始波動(dòng)，水體中氣泡增多，并間歇性地進(jìn)入流道，漩渦類型為Ⅲ、Ⅳ型；流速在0.482～0.554 m/s時(shí)，水面波動(dòng)明顯，水體中氣泡堆積形成氣柱且間歇性地進(jìn)入流道，漩渦類型為Ⅴ型；流速在0.575～0.661 m/s時(shí)，水面波動(dòng)劇烈，形成的氣柱連續(xù)地進(jìn)入流道，漩渦類型為Ⅵ型。進(jìn)水表面形成漩渦類型與進(jìn)水流速的大小有關(guān)。

圖7 表面漩渦分布

3.2 開敞式進(jìn)水池進(jìn)水計(jì)算結(jié)果

3.2.1特征截面流態(tài)

1）水平截面流態(tài)

進(jìn)水池自由水面（1-1截面）和喇叭管進(jìn)口水平面（2-2截面）的流線和流速分布如圖8所示。由圖8可知，不同進(jìn)水流速下，1-1截面的流速分布云圖呈現(xiàn)出內(nèi)部大于邊壁，流速最大區(qū)域位于進(jìn)水管附近和進(jìn)水池前部上側(cè)，2-2截面的流速分布為喇叭管進(jìn)口附近最大且后墻與喇叭管進(jìn)口之間流速變化梯度明顯。2個(gè)截面下的流線分布均表現(xiàn)為進(jìn)水池前部平順、后部紊亂，漩渦均產(chǎn)生在喇叭管與后墻間的區(qū)域，1-1截面產(chǎn)生的表面漩渦數(shù)量為4～5個(gè)，2-2截面漩渦數(shù)量為3～4個(gè)，隨著進(jìn)水流速的增加漩渦強(qiáng)度增加。

圖8 進(jìn)水池水平剖面流速和流線分布

2）進(jìn)水池縱截面流態(tài)

圖9為進(jìn)水池喇叭管進(jìn)口中心縱截面（3-3截面）、進(jìn)水池右部中間縱截面（4-4截面）、進(jìn)水池右部邊壁縱截面（5-5截面）的流線和流速分布。從圖9可以看出，3-3截面的高流速區(qū)域主要位于喇叭管進(jìn)口附近，且隨著進(jìn)水流速的增加高流速區(qū)域增大，而流線從前部和后部向喇叭管進(jìn)口集中；4-4截面在喇叭管進(jìn)口高度附近及前部形成高流速區(qū)域，流線起始于前部聚集于進(jìn)水喇叭管口高度附近，在底壁和后墻夾角處形成1個(gè)水中漩渦；5-5截面的高流速區(qū)域主要位于喇叭管進(jìn)口高度附近的后墻和喇叭管之間區(qū)域，受到邊壁效應(yīng)的影響，流線分布比較紊亂，在底壁、右側(cè)邊壁和后壁的夾角處形成附壁渦，數(shù)量為1個(gè)。4-4截面和5-5截面的產(chǎn)生漩渦的位置不變，而隨著進(jìn)水流速增大水中漩渦的強(qiáng)度在增強(qiáng)。

圖9 進(jìn)水池縱剖面流速和流線分布

3）進(jìn)水池橫剖面流態(tài)分析

圖10為進(jìn)水池喇叭管進(jìn)口后部邊緣橫截面（6-6截面）的流線和流速分布。由圖10可知，該截面的高流速區(qū)域位于喇叭管進(jìn)口高度附近，且隨著進(jìn)水流速的增加高流速區(qū)域增大，壁面處的流速最低，流線分布紊亂；在喇叭管口下方、側(cè)底壁夾角處及底壁產(chǎn)生漩渦，為附底渦和附壁渦，數(shù)量為2～3個(gè)，漩渦的位置變化不大，并隨著進(jìn)水流速增大水中漩渦的強(qiáng)度有所增強(qiáng)。

圖10 進(jìn)水池橫剖面流速和流線分布

3.2.2漩渦分布

9種流速下，進(jìn)水池和進(jìn)水管形成的漩渦如圖11所示。根據(jù)圖11中不同進(jìn)水流速對(duì)應(yīng)的表面漩渦分布狀況，結(jié)合文獻(xiàn)[21]中給出的6型表面漩渦標(biāo)準(zhǔn)，開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水流速在0.322～0.402 m/s時(shí)，水面產(chǎn)生波動(dòng)，形成的氣泡浸入水體較深且間歇性地進(jìn)入喇叭管口，漩渦類型為Ⅲ、Ⅳ型；流速在0.484 m/s時(shí)，水面波動(dòng)明顯，形成的氣柱浸入水體的深度達(dá)到喇叭管口附近，氣柱間歇性地進(jìn)入喇叭管口，漩渦類型為Ⅴ型；流速在0.521～0.564 m/s時(shí)，水面波動(dòng)劇烈，形成的氣體連續(xù)地進(jìn)入喇叭管口，漩渦類型為Ⅵ型；可見，進(jìn)水池形成的表面漩渦強(qiáng)度隨著進(jìn)水流速增加逐漸增強(qiáng)。

圖11 表面漩渦分布

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水和開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水的水力特性驗(yàn)證試驗(yàn)均在華北水利水電大學(xué)泵及泵站實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。2種進(jìn)水方式的進(jìn)水模型實(shí)驗(yàn)裝置，如圖12所示。模型試驗(yàn)測試設(shè)備與測試方法等見文獻(xiàn)[22-24]。

圖12 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4.1.1封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水模型試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)10種不同進(jìn)水流速對(duì)封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水水力特性影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果[24]可知，進(jìn)水流速在0.217 m/s和0.250 m/s時(shí)，進(jìn)水閘室表面出現(xiàn)了間歇性出現(xiàn)和消亡的Ⅰ型渦；流速為0.304 m/s時(shí)，進(jìn)水表面凹陷，且凹陷間歇性出現(xiàn)和消亡，漩渦類型為Ⅱ型渦；流速為0.349 m/s時(shí)，進(jìn)水表面凹陷，凹陷較深且有規(guī)律地出現(xiàn)和消亡，漩渦強(qiáng)度不大，此時(shí)間歇性出現(xiàn)Ⅱ型和Ⅲ型，并以Ⅲ型居多；流速為0.389 m/s和0.448 m/s時(shí)，進(jìn)水表面的凹陷或消亡或變深并間歇性地進(jìn)入進(jìn)水流道，此時(shí)出現(xiàn)的漩渦為Ⅲ、Ⅳ型；流速為0.482 m/s和0.554 m/s時(shí)，進(jìn)水表面出現(xiàn)的凹陷漩渦末端接近進(jìn)水流道進(jìn)口且末端產(chǎn)生的氣泡頻繁地進(jìn)入進(jìn)水流道，此時(shí)出現(xiàn)的漩渦有Ⅳ型和Ⅴ型，并以Ⅴ型為主；流速為0.575 m/s和0.661 m/s時(shí)，進(jìn)水表面出現(xiàn)的凹陷漩渦末端進(jìn)入進(jìn)水流道且漩渦末端產(chǎn)生的氣泡或挾氣渦帶最遠(yuǎn)可延伸到喇叭管進(jìn)口處，此時(shí)出現(xiàn)的漩渦有Ⅴ型和Ⅵ型，并以Ⅵ型為主。

4.1.2開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)9種不同進(jìn)水流速對(duì)開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水水力特性影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果[22-24]可知，進(jìn)水池不僅產(chǎn)生了表面漩渦，還產(chǎn)生了水中渦（附底渦和附壁渦）。流速為0.322 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)強(qiáng)度時(shí)大時(shí)小的Ⅲ、Ⅳ型渦現(xiàn)象；流速為0.344 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)2個(gè)對(duì)稱的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.347 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，長時(shí)間出現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ型渦現(xiàn)象；流速為0.361 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)1個(gè)顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；進(jìn)水流速為0.376 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)1個(gè)更顯著的Ⅳ型渦現(xiàn)象，偶爾出現(xiàn)Ⅴ型渦；流速為0.402 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)1個(gè)更顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.484 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ型渦和Ⅵ型渦；流速為0.521 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)2個(gè)Ⅵ型渦；流速為0.564 m/s時(shí)，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，長時(shí)間出現(xiàn)Ⅵ類渦。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比

圖13和圖14分別為2種泵站進(jìn)水方式下能產(chǎn)生Ⅲ型或Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型漩渦。分別將圖7（d）、圖7（g）及圖7（i）的封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水漩渦流態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果與圖13（a）—圖13（c）進(jìn)水模型試驗(yàn)結(jié)果和圖11（a）、圖11（g）及圖11（h）的開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水漩渦流態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果與圖14（a）—圖14（c）進(jìn)水模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，在相同進(jìn)水流速下，2種泵站進(jìn)水產(chǎn)生的表面漩渦類型基本相同。

由不同進(jìn)水流速下的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知，2種泵站進(jìn)水產(chǎn)生的表面漩渦強(qiáng)度和類型隨進(jìn)水流速的變化基本一致。對(duì)泵站工程來說，允許Ⅰ、Ⅱ型漩渦存在，避免產(chǎn)生Ⅲ、Ⅳ型漩渦，不允許存在Ⅴ型及以上漩渦，因此要保證泵站進(jìn)水水流流態(tài)良好，封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水方式的進(jìn)水流速值不應(yīng)大于0.349 m/s；開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水方式的進(jìn)水流速值不應(yīng)大于0.322 m/s。

圖13 封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水模型試驗(yàn)進(jìn)水漩渦流態(tài)

圖14開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水模型試驗(yàn)進(jìn)水漩渦流態(tài)

5 討論

研究表明，在泵站進(jìn)水水深不變時(shí)，泵站表面漩渦的強(qiáng)度隨進(jìn)水流速的增大而增強(qiáng)，并分別就2種泵站進(jìn)水表面出現(xiàn)的漩渦與進(jìn)水速度區(qū)之間的關(guān)系進(jìn)行了劃分，這與文獻(xiàn)[4-6,25]的研究結(jié)果類似。文獻(xiàn)[4]對(duì)封閉式進(jìn)水的發(fā)電隧洞進(jìn)水口的漩渦特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出用福氏數(shù)對(duì)進(jìn)水口漩渦分區(qū)，計(jì)算式=進(jìn)/()1/2，（式中：進(jìn)為發(fā)電隧洞進(jìn)水流速，為發(fā)電隧洞洞徑，僅隨進(jìn)而變化）。文中給出的第一臨界和第二臨界福氏數(shù)值，可認(rèn)為是第一流速值和第二流速值。當(dāng)進(jìn)口流速小于第一流速值時(shí)，不論進(jìn)口淹沒深度大或小均無漩渦發(fā)生；當(dāng)進(jìn)口流速小于第二流速值時(shí)，不會(huì)發(fā)生偶發(fā)性串通漩渦；當(dāng)進(jìn)口流速大于第二流速值時(shí)，隨著相對(duì)淹沒深度的增加，將會(huì)發(fā)生表面凹陷型漩渦、偶發(fā)性串通漩渦等情況。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)水深為0.3 m的進(jìn)水池流速分別為0.4 m/s和0.55 m/s水流流態(tài)和漩渦特性進(jìn)行了研究，當(dāng)進(jìn)水池流速為0.4 m/s時(shí)，池中發(fā)生了表面下凹的漩渦；當(dāng)進(jìn)水池流速為0.55 m/s時(shí)，池中發(fā)生了最為劇烈的表面吸入漩渦。文獻(xiàn)[25]規(guī)定，吸水喇叭口前吸水池?cái)嗝娴钠骄魉俨粦?yīng)大于0.3 m/s?？梢姡鲜鰧＜覂H針對(duì)進(jìn)水池某一流速產(chǎn)生的漩渦特性進(jìn)行了研究，沒有對(duì)不同流速下的進(jìn)水池水流流態(tài)和漩渦特性進(jìn)行研究。

本文就不同進(jìn)水流速對(duì)泵站2種進(jìn)水方式的進(jìn)水水流特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了泵站進(jìn)水水流流態(tài)和漩渦分布，揭示了泵站表面漩渦強(qiáng)度隨進(jìn)水流速的增大而增強(qiáng)的變化規(guī)律，分別就2種泵站進(jìn)水表面出現(xiàn)微凹的Ⅰ、Ⅱ型漩渦、表面下凹的Ⅲ、Ⅳ型漩渦、表面下凹較深的間斷進(jìn)氣Ⅴ型漩渦和漩渦中心為貫通的連續(xù)進(jìn)氣的Ⅵ型渦進(jìn)行了進(jìn)水速度區(qū)間的劃分，并模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者基本吻合。在實(shí)際工程中，影響泵站進(jìn)水表面漩渦產(chǎn)生的因素很多，如進(jìn)水結(jié)構(gòu)型式、懸空高、后壁距、池寬、進(jìn)水管的位置和進(jìn)水喇叭管的形狀等，進(jìn)水流速僅是其中一個(gè)因素，本文僅進(jìn)水流速對(duì)表面漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展的影響進(jìn)行了研究。今后需要對(duì)表面漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展的影響因素進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，為泵站工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

6 結(jié)論

1）封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水方式的進(jìn)水流速在0.217～0.304、0.349～0.448、0.485～0.554、0.575～0.661 m/s時(shí)，進(jìn)水表面漩渦類型分別為Ⅰ和Ⅱ型渦、Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦。

2）開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水方式的進(jìn)水流速在0.322～0.402、0.484、0.521～0.564 m/s時(shí)，漩渦類型分別為Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦。

3）對(duì)封閉式進(jìn)水流道水平進(jìn)水方式的泵站工程，進(jìn)水流速不應(yīng)大于0.349 m/s；對(duì)開敞式進(jìn)水池垂直進(jìn)水方式的泵站工程，進(jìn)水流速不應(yīng)大于0.322 m/s。

4）進(jìn)水漩渦不僅在表面水體中產(chǎn)生和發(fā)展，而且在進(jìn)水管后部和進(jìn)水喇叭口下部的水體中產(chǎn)生和發(fā)展水中渦（附壁渦和附底渦）。

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The Influence of Inlet Flow Rate on Surface Eddy in Pumping Stations

GAO Chuanchang, GAO Yuxin*, WANG Shunsheng, GAO Zhikai

(North China University of Water Conservancy and Hydropower, Zhengzhou 450045, China)

【】The inflow water velocity controls water flow pattern in pumping stations. Turbulence accompanied by the generated vortices not only reduces pump operation but also causes cavitation, vibration, thereby compromising pump operation. The purpose of this paper is to study the influence of inlet water flow rate on flow pattern, generation and development of vortices in a real pump station.【】The NX UG10.0 software was used to construct the physical model for water intake in the pump; three-dimensional turbulence for the pump station, including the closed intake channel, horizontal intake and open intake pool, vertical intake, were described using the Reynolds’ equation, VOF model and unsteady SSTmodel. The impact of the distribution of influent flow field and generation, change and distribution of the vortices at different influent velocities was simulated for two influent modes.【】When the critical submerged depth of the inlet was met, the vortex intensity at the inlet surface under the two inlet modes increased with the increase in the inlet flow rate, and the vortices appeared on the two inlet surfaces and the inlet water. When the horizontal inlet velocity in the closed inlet flow channel was 0.217～0.304, 0.349～0.448, 0.482～0.554, 0.575～0.661 m/s, their associated vortex type was Ⅰ-Ⅱ, Ⅲ-Ⅳ, Ⅴ and Ⅵ, respectively. When the open vertical inlet flow velocity was 0.322～0.402, 0.484, 0.521～0.564 m/s, their associated vortex type was Ⅲ, Ⅳ-Ⅴ and Ⅵ, respectively. Surface vortices were simultaneously generated in the water body of the open inlet pool with vertical water inlet and vortex in the water. The simulation results were consistent with experimental results. 【】For pumping stations with closed inlet channel and horizontal inlet method, the inflow velocity should be less than 0.349 m/s for the open inlet pool. For pumping stations with vertical water intake, the influent flow rate should be less than 0.322 m/s.

pumping station; inlet water flow rate; vortex; numerical calculation; model test

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2021-09-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309099，52079051）

高傳昌（1957-），男。教授，主要從事流體機(jī)械及流體工程研究工作。E-mail: gcc@ncwu.edu.cn

高余鑫（1995-），男。碩士研究生，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及流體動(dòng)力工程。E-mail: gaoyuxin19950117@163.com

S512.11

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021439

1672 - 3317（2022）03 - 0054 - 09

責(zé)任編輯：趙宇龍