泵站進水池內(nèi)部流動特性研究

李明 王勇 張子龍 熊偉 劉厚林

摘要：

泵站進水池內(nèi)流態(tài)的好壞會直接影響到泵的工作效率以及整個泵站的安全穩(wěn)定運行?；贑FX，使用Realizable k-ε湍流模型研究了不同水位和流量工況下進水池內(nèi)表面渦特性以及流速均勻性動態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)水位為600 mm時，小流量工況下兩側(cè)表面渦分布不對稱，隨著流量增大，兩側(cè)表面渦相互影響程度減小；當(dāng)水位為800 mm時，不同流量工況下兩側(cè)表面渦分布均對稱；當(dāng)水位為1 000 mm時，小流量情況下兩側(cè)表面渦分布對稱，隨著流量增大，兩側(cè)表面渦相互影響程度增大。隨著特征截面水位降低，進水池內(nèi)特征截面的旋渦總環(huán)量增加，且旋渦總環(huán)量與水位成反比，與流量成正比；泵進口斷面流速分布均勻度隨著流量的增加而先增大后減小，隨水位的增加而增大。研究成果可為進水池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

進水池； 表面渦； 流速分布均勻度； 旋渦總環(huán)量； 數(shù)值模擬

中圖法分類號： U462.3

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.035

0 引 言

泵站進水池是水泵直接從中取水的水工建筑物，進水池作為前池和水泵葉輪室的過渡段，是泵站不可或缺的組成部分。泵站進水池的主要作用是為泵進口提供穩(wěn)定均勻的進水條件，保證泵在水力設(shè)計狀態(tài)下安全穩(wěn)定運行［1-2］。然而進水池內(nèi)存在的各種旋渦會導(dǎo)致空化、附加振動和葉片負(fù)載過大，會直接影響泵站的運行效率和安全性能［3-5］。因此有必要對進水池的內(nèi)部流動特性進行研究，以探究提高進水池流動穩(wěn)定性的方法。

近年來，國內(nèi)外不少學(xué)者對進水池的內(nèi)部流動特性進行了物理試驗和數(shù)值研究。何耘［6］將進水池中的旋渦分為自由表面旋渦和水中旋渦兩種；美國Alden實驗研究室通過實驗觀察到的現(xiàn)象，依據(jù)表面渦強弱將其分為6種類型［7］；Ansar［8］、Rajendran［9］、李永［10-11］、李大亮［12］、劉超等［13］分別通過模型試驗的方法，采用粒子圖像測速（PIV）、聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）對進水池旋渦特性進行測量研究；楊帆［14］、宋希杰［15］和Cheng等［16］分別對進水池內(nèi)部流動特性進行了數(shù)值模擬，總結(jié)并分析了水中旋渦對進水池內(nèi)部流動特性的影響；張德勝［17］、吳鵬飛等［18］采用CFD和模型試驗相結(jié)合的方法分析了泵站進水池內(nèi)的旋渦形成機理。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對進水池內(nèi)部流動特性進行了各種探索，并對旋渦形成、抑制機理進行了研究。但事實上，不同水位和不同流量工況下進水池的內(nèi)部流動往往會呈現(xiàn)不同的特性，目前對此研究還較少。

本文以開敞式進水池為研究對象，采用CFX對不同水位和流量工況下的進水池內(nèi)部流動特性進行研究，分析了進水池表面渦動態(tài)特性、表面渦環(huán)量特性和流速均勻度變化規(guī)律，為進水池的工程優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值計算方法

1.1 計算模型

圖1為進水池關(guān)鍵幾何參數(shù)及計算域示意圖，該計算域主要包括上游水箱、進水流道、喇叭口、葉輪、導(dǎo)葉和出口管道。其中混流泵設(shè)計轉(zhuǎn)速n=1 875 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=698.5，葉輪直徑d=180 mm。混流泵在設(shè)計流量Qd=518 m3/h工況下運行時，揚程為3 m，效率為60％。進水喇叭口直徑D=1.62d，與底面間的距離h=d，進水池寬度B=2.75d，進水管中心與后墻間的最小距離C=d，液面高度為H，進水池長度L=6d。

1.2 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

根據(jù)計算域的復(fù)雜程度，采用ICEM軟件選擇結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格2種方式對計算域進行網(wǎng)格劃分。為了提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對喇叭口以及自由液面進行網(wǎng)格劃分時采用局部加密處理，將計算域中的網(wǎng)格尺度y+維持在30～500之間［19］，以保證壁面處的水流狀態(tài)能夠準(zhǔn)確反映出來。具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

為了提高計算效率，同時保證一定的計算精度，需要對計算模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。選取計算域網(wǎng)格數(shù)量分別為：125萬，267萬，375萬，490萬，550萬，670萬，790萬，865萬共8套劃分方案進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，選擇進水池總水力損失，即進水池進口斷面到出口管出口斷面的水力損失為評判標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計流量Qd=518 m3/h下，不同水位工況下的總水力損失如圖3所示，由圖3可知：隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，總水力損失呈增大的趨勢，在網(wǎng)格數(shù)大于550萬之后，水力損失的變化范圍小于5%，達到了網(wǎng)格無關(guān)性驗證的要求。因此，本次研究選擇數(shù)量為550萬的網(wǎng)格進行后續(xù)數(shù)值計算。

從圖8可以看出：在φ增加至0.929的過程中，兩側(cè)旋渦強度差異變小，進水池流態(tài)穩(wěn)定性隨著φ值增加而增強，且在φ=0.929時兩側(cè)旋渦位置對稱性最好，進水池流態(tài)最穩(wěn)定。隨著φ繼續(xù)增加，左側(cè)旋渦強度明顯高于右側(cè)，右側(cè)旋渦被吸入左側(cè)，進水池流態(tài)開始變差。

從圖9可以看出：當(dāng)φ由0.637增加至0.929時，兩側(cè)旋渦強度差異逐漸減小，旋渦的偏離程度減小，進水池流態(tài)變好。當(dāng)φ繼續(xù)增加時，可以明顯發(fā)現(xiàn)右側(cè)旋渦強度高于左側(cè)，左側(cè)旋渦被吸入右側(cè)，左右兩側(cè)旋渦強度不對稱性增強，進水池流態(tài)變差。

3.1.3 進水池表面渦環(huán)量特性

進水池內(nèi)表面渦的強度超過允許值時，會形成嚴(yán)重的旋渦塌陷，在旋渦塌陷的過程中還夾雜著氣帶，易產(chǎn)生吸氣渦，造成葉片空化、振動和結(jié)構(gòu)顫振等負(fù)面影響，影響泵的運行效率和壽命。圖10為不同水位和流量工況下進水池內(nèi)各特征截面上（B略寫）的旋渦總環(huán)量分布情況。從圖10中可以看出：不同水位和流量工況下，特征截面旋渦總環(huán)量的最大值處于喇叭管進口的位置上，隨著截面水平位置的上升而依次減小，在自由液面處旋渦總環(huán)量值最小。這主要是因為在泵吸入口復(fù)雜流態(tài)相互干涉，隨著截面位置的不斷上升，流體運動逐漸趨于穩(wěn)定，削弱了大旋渦環(huán)量的產(chǎn)生。另外，淹沒深度也會影響旋渦的強度，隨著淹沒深度的降低旋渦強度會出現(xiàn)反比例增加的趨勢，可以看到H0=600 mm時，旋渦環(huán)量值明顯高于其他兩種水位工況。

3.2 進水池流速均勻度

不同流量和水位工況下泵進口斷面流速分布均勻度如圖11所示。從圖11中可以看出：在不同水位工況下，泵進口斷面流速分布均勻度均隨φ值的增大而先增大后減小，且均在φ=0.929附近達到最大值。結(jié)合圖7～9的表面渦強度關(guān)系可知，在各水位工況下，特征截面B8的表面渦分布位置不對稱度均隨著流量的增大而先減小后增大，在φ=0.929附近時不對稱度最小，由此可推知泵進口斷面流態(tài)穩(wěn)定性先增強后減弱且在φ=0.929附近流態(tài)最佳。同時可以發(fā)現(xiàn)，泵進口斷面流速分布均勻度隨著水位的增加而增大，增加幅度隨著φ值的增大而增大，且在水位較低時增大幅度更明顯，這是因為輸送流量相同時，水位越高，液面流動受液下流動的干擾越小，液面流動速度較小，不容易產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)，因此流態(tài)更好，從而具有更大的速度分布均勻度。水位較低時，液面流態(tài)對水位的變化極為敏感，水位的細(xì)微變化都會引起液面流態(tài)劇烈變化，因此在水位較低時，流速分布均勻度隨水位變化較為明顯，然而當(dāng)水位突破某一臨界高度后，液面流態(tài)對水位的敏感度大幅度降低，受到液下流動的干擾作用減小。因此當(dāng)水位繼續(xù)升高時，液面流態(tài)改善效果并不明顯，從而流速分布均勻度提高幅度較小，可以預(yù)見，若水位繼續(xù)升高，由于流動已經(jīng)相對穩(wěn)定，此時流速分布均勻度的變化將不顯著。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法，對不同流量和水位工況下進水池的內(nèi)部流動特性進行了研究，對特征截面表面渦的動態(tài)變化和進水池流速均勻性進行了分析，得到以下結(jié)論：

（1） 進水池后壁處兩側(cè)表面渦相互耦合，造成左右表面渦的不對稱性和不穩(wěn)定性，尤其在高水位大流量和低水位小流量工況下，該現(xiàn)象較為明顯。

（2） 不同水位和流量工況下，特征截面上旋渦環(huán)量與特征截面水平位置成反比例關(guān)系，并且在低水位工況下旋渦環(huán)量值高于其他工況，若泵在低水位工況長時間運行，建議在泵入口位置設(shè)置阻渦裝置以改善進口流態(tài)。

（3） 泵進口斷面流速分布均勻度隨著流量的增加，先增加后減小，在φ=0.929附近達到最大值。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

The flow pattern in the intake tank of pumping stations directly affects the working efficiency of pumps，and even the safe and stable operation of the whole pumping station.In this paper，based on CFX software，the Realizable k-ε turbulence model was used to study the dynamic changes of surface vortex characteristics and velocity uniformity in the intake tank under different water level and flow conditions.The results showed that when the water level was 600 mm，the distribution of surface vortex on both sides was asymmetric under small flow conditions.With the increasing of flow rate，the mutual influence of surface vortex on both sides decreased.When the water level was 800 mm，the surface vortex distribution on both sides was symmetrical under different flow conditions.When the water level was 1000 mm，the distribution of surface vortex on both sides was symmetrical under small flow conditions.As the flow rate increased，the mutual influence of surface vortex on both sides increased.With the decreasing of the water level at the characteristic sections，the total circulation of the vortex in the characteristic sections of the intake tank increased.The vortex total circulation in the section was inversely proportional to the water level and proportional to the flow.The velocity distribution uniformity of the pump intake section first increased and then decreased with the increase of flow rate，while it increased with the water level.

Key words：

intake tank；surface vortex；velocity distribution uniformity；vortex total circulation；numerical simulation