不同開(kāi)機(jī)組合下泵站前池與進(jìn)水池中的水流流動(dòng)特性

王 慧，羅曉旭

（1.江蘇省泗陽(yáng)閘站管理所，江蘇 宿遷 223700；2.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 概 述

離心式水泵站已朝著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、高功率化的方向發(fā)展。前池與進(jìn)水池在泵站中一般設(shè)置在引渠與水泵機(jī)組之間，其作用是把引渠和進(jìn)水池合理地銜接起來(lái)，使水流平穩(wěn)且均勻地流人進(jìn)水池，為水泵提供良好的吸水條件。但由于一些大型泵站的機(jī)組較多，擁有多個(gè)水池，在進(jìn)行開(kāi)機(jī)組合時(shí)，容易產(chǎn)生泵站前池、后池出現(xiàn)不穩(wěn)定水流流動(dòng)的情況，如漩渦、橫流等，進(jìn)而造成了不同機(jī)組之間存在不均勻的入流，會(huì)讓水泵內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生一定的變化，對(duì)水泵正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響［1］。因此，對(duì)大型泵站的不同開(kāi)機(jī)組合下泵站前池與進(jìn)水池中的水流流動(dòng)特性進(jìn)行分析，能夠了解不均勻入流的規(guī)律，進(jìn)而能夠?qū)Υ笮捅谜镜陌踩?、穩(wěn)定運(yùn)行提供有利的支持［2］。

本研究通過(guò)構(gòu)建泵站前池與進(jìn)水池的三維模型，分析不同開(kāi)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行方案中前池與進(jìn)水池的水流特性，計(jì)算出不同開(kāi)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行方案對(duì)水泵前池與進(jìn)水池的水流流態(tài)的影響。

2 泵站前池與進(jìn)水池三維模型

2.1 立式離心式水泵泵站模型

在構(gòu)建泵站前池與進(jìn)水池三維模型中，考慮到在泵站中水流的流動(dòng)與熱傳導(dǎo)、水與空氣的壓縮性無(wú)關(guān)，所以構(gòu)建了質(zhì)量與動(dòng)量守恒的方程。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建立式離心式水泵泵站模型，模型主要由前池、進(jìn)水池、4臺(tái)離心泵、引渠構(gòu)建而成，模型中的前池與進(jìn)水池均為正向的出水與進(jìn)水。4臺(tái)機(jī)從右至左的編號(hào)分別為1、2、3、4（如圖1）。本研究采用吸入管傾斜取水的方式，平均水位為2.06 m，水泵轉(zhuǎn)數(shù)為1 200 r/min，運(yùn)行流量范圍為0.2224~0.2589 m3/s，最佳流量為0.2460 m3/s 時(shí)所對(duì)應(yīng)的吸入管進(jìn)口至蝸殼出口的揚(yáng)程為36.1 m［3］。

圖1 泵站平面

2.2 泵站前池與進(jìn)水池計(jì)算模型

泵站前池與進(jìn)水池計(jì)算模型主要涵蓋了引渠、前池、進(jìn)水池、水泵機(jī)吸入管等內(nèi)容，在參數(shù)確定后，運(yùn)用UGNX 軟件構(gòu)建泵站前池與進(jìn)水池計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 泵站前池與進(jìn)水池計(jì)算模型

在構(gòu)建模型后，需要進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分，為了更好地控制網(wǎng)格數(shù)量，將模型分為3個(gè)計(jì)算域，并運(yùn)用ANSYS ICEM 軟件，所有的網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。選取進(jìn)出口的水力損失與進(jìn)水池中的水深平均高度作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的評(píng)判參數(shù)，劃分了6 套網(wǎng)格方案（表1），對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性、數(shù)值計(jì)算收斂性進(jìn)行比較分析。

表1 前池、進(jìn)水池模型的網(wǎng)格方案

此外，在對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性、數(shù)值計(jì)算收斂性進(jìn)行比較分析時(shí)，由前池及進(jìn)水池模網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果（表2）可知，隨著網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)格收斂指數(shù)逐步減少，說(shuō)明研究中數(shù)值求解結(jié)果精度得到不斷提升。同時(shí)，通過(guò)表2 可以看到節(jié)點(diǎn)逐步接近方案5 的節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)，水力損失增幅約為0.3%，同時(shí)進(jìn)水池的平均高度誤差在2.5%左右，進(jìn)而綜合考慮收斂性精度、水力損失幅度、進(jìn)水池的平均高度誤差情況，選取方案5作為數(shù)值的計(jì)算方案［4］。

表2 前池及進(jìn)水池模網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.3 邊界條件

在邊界條件設(shè)置中，主要采用ANSYS CFX軟件進(jìn)行計(jì)算，并采用均相流模型進(jìn)行氣液模擬，在計(jì)算域內(nèi)流體流動(dòng)考慮重力的影響時(shí)，其邊界條件如表3所示。

表3 邊界條件設(shè)置

3 開(kāi)機(jī)組合方案的確定

3.1 開(kāi)機(jī)組合篩選

在開(kāi)機(jī)組合實(shí)施時(shí)，本次研究設(shè)計(jì)了4 臺(tái)水泵機(jī)組，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)的方法，確定本次研究組合方案，分析不同開(kāi)機(jī)組合方案進(jìn)水池與前池的水流流態(tài)變化情況。經(jīng)過(guò)正交實(shí)驗(yàn)后，其開(kāi)機(jī)組合的方案如表4 所示，可知當(dāng)前方案1 中的機(jī)組開(kāi)機(jī)數(shù)量最多，為4臺(tái)全部開(kāi)啟，其次為方案2中開(kāi)啟3臺(tái)。

表4 開(kāi)機(jī)組合方案

3.2 開(kāi)機(jī)組合前池與進(jìn)水池流態(tài)

3.2.1 前池與進(jìn)水池流態(tài)分析公式

根據(jù)不同開(kāi)機(jī)組合情況，進(jìn)行前池與進(jìn)水池的流態(tài)分析，在分析中運(yùn)用流速最大值不均勻系數(shù)來(lái)表示各個(gè)特征斷面水流流速的最大值偏離平均流速的程度［5］，計(jì)算式為

式中：Svmax為流速最大值不均勻系數(shù)；Vmax為斷面水流流速的最大值為斷面水流流速的平均值。

斷面水流流速的平均值計(jì)算式為

式中：m為水的質(zhì)量流量；V為水流的流速。

3.2.2 前池與進(jìn)水池流態(tài)分析

（1）開(kāi)機(jī)方案1

開(kāi)機(jī)方案1中是將4臺(tái)機(jī)器全面啟動(dòng)，啟動(dòng)后，引渠進(jìn)入泵站后，前池的水流會(huì)逐步擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，流速會(huì)迅速降低，前池范圍內(nèi)水流流速的非均勻系數(shù)為2.67，這時(shí)前池水流流速加快，形成較大的漩渦。另外，非均勻系數(shù)為2.55 時(shí)，其截面中會(huì)形成每個(gè)進(jìn)水池的單獨(dú)漩渦。

（2）開(kāi)機(jī)方案2

開(kāi)機(jī)方案2 中是將編號(hào)1、2、3 的機(jī)組全部打開(kāi)，將編號(hào)為4的機(jī)組關(guān)閉，分析其前池與進(jìn)水池流態(tài)的情況。經(jīng)過(guò)分析可知，由于編號(hào)為4 的臺(tái)機(jī)關(guān)閉，其水流流向4臺(tái)機(jī)后，又轉(zhuǎn)流向3臺(tái)機(jī)，導(dǎo)致3臺(tái)機(jī)的水流流速明顯增加，4臺(tái)機(jī)處形成小漩渦［6］。

（3）其余開(kāi)機(jī)方案

在開(kāi)機(jī)方案3中，1、4臺(tái)機(jī)啟動(dòng)，2、3不啟動(dòng)，當(dāng)靠近0.22 m、1.0 m特征截面時(shí)差別較大?？拷?.22 m水流逐步擴(kuò)散均勻，靠近1.0 m特征截面時(shí)，由于2、3 臺(tái)機(jī)未啟動(dòng)，進(jìn)而在2、3 處形成了相應(yīng)的回流漩渦，同時(shí)不斷涌入1、4臺(tái)機(jī)中，導(dǎo)致1、4臺(tái)機(jī)的流速較高。在開(kāi)機(jī)方案4 中，1、3 臺(tái)機(jī)關(guān)閉，2、4 臺(tái)機(jī)開(kāi)啟，當(dāng)靠近0.22 m時(shí)，前池中的水會(huì)不斷地流入1 臺(tái)機(jī)對(duì)應(yīng)的進(jìn)水池中，形成相應(yīng)的漩渦，靠近1.0 m時(shí)水流會(huì)在進(jìn)水池中進(jìn)一步形成相應(yīng)的漩渦。在開(kāi)機(jī)方案5中，1、2臺(tái)機(jī)關(guān)閉，3、4臺(tái)機(jī)開(kāi)啟，導(dǎo)致1、2 臺(tái)機(jī)的前池水流流速不均勻，其主流存在一定的偏向，靠近0.22 m 時(shí)前池的主流流態(tài)無(wú)明顯變化，但1、2臺(tái)將單獨(dú)形成漩渦，但靠近1.0 m時(shí)則會(huì)在2、3 臺(tái)機(jī)對(duì)應(yīng)的前水池形成明顯的流速較高漩渦，同時(shí)2、3 臺(tái)機(jī)會(huì)形成相應(yīng)的橫流。在開(kāi)機(jī)方案6 中，只開(kāi)1臺(tái)機(jī)，2、3、4臺(tái)機(jī)關(guān)閉，其特征截面上水流流速的非均勻程度較為嚴(yán)重，主流水進(jìn)入到前池時(shí)，會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散不充分的情況，前池邊壁容易出現(xiàn)漩渦，同時(shí)在靠近0.22 m與1.0 m時(shí)，會(huì)產(chǎn)生主流存在較大偏轉(zhuǎn)、紊亂的情況［7］。

4 吸入管進(jìn)口的流動(dòng)情況

4.1 吸入管進(jìn)口流動(dòng)分析公式

在分析不同開(kāi)機(jī)組合下吸入管進(jìn)口的流動(dòng)情況時(shí)，從流速、軸向速度、圓周速度3 個(gè)方面進(jìn)行分析，計(jì)算式為

式中：Vu為圓周速度；Vy、Vz分別為沿著y、z軸方向的水流流速；θ為以吸入管進(jìn)口為原點(diǎn)極坐標(biāo)的角度。

圓周速度的差值計(jì)算式為

式中：ΔVu為機(jī)組全部開(kāi)啟時(shí)，各個(gè)吸入管的進(jìn)口圓周速度為其他機(jī)組方案實(shí)施時(shí)，各個(gè)吸入管的進(jìn)口圓周速度。

4.2 水泵吸入管進(jìn)口流場(chǎng)分析

當(dāng)進(jìn)行開(kāi)機(jī)方案1 時(shí)，4 臺(tái)機(jī)全部開(kāi)啟，這時(shí)前池與進(jìn)水池的水流流速呈現(xiàn)較為明顯的對(duì)稱(chēng)，同時(shí)沿著x、y軸的水流、軸向、圓周速度為對(duì)稱(chēng)分布。在對(duì)后續(xù)其他開(kāi)機(jī)順序進(jìn)行分析時(shí)，以開(kāi)機(jī)方案1 為基準(zhǔn)，進(jìn)行吸入管進(jìn)口圓周速度的差值比較與分析。經(jīng)過(guò)分析得知，在啟動(dòng)1 臺(tái)、同時(shí)啟動(dòng)2 臺(tái)或3 臺(tái)時(shí)，其吸入管進(jìn)口圓周速度的差值是不同的。經(jīng)過(guò)圓周速度的差值計(jì)算可知，方案2、方案5 對(duì)吸入管的進(jìn)口預(yù)旋的影響較大，方案3、方案4 以及單獨(dú)啟動(dòng)1臺(tái)機(jī)的方案對(duì)吸入管的進(jìn)口預(yù)旋的影響較?。?］。

5 前池與進(jìn)水池的瞬間流動(dòng)特征

5.1 開(kāi)啟4臺(tái)機(jī)組

開(kāi)啟4 臺(tái)機(jī)為開(kāi)機(jī)組合方案1 的方法，在開(kāi)啟4 臺(tái)機(jī)時(shí)，當(dāng)接近1.0 cm時(shí)，其流速與流線的分布會(huì)形成不同程度的漩渦。當(dāng)時(shí)間達(dá)到20 s 時(shí)，會(huì)在左側(cè)產(chǎn)生局部漩渦，在中心形成中心漩渦；當(dāng)時(shí)間達(dá)到40 s時(shí)，左側(cè)的局部漩渦逐步轉(zhuǎn)化為壁面脫流；當(dāng)時(shí)間達(dá)到60 s時(shí)，中間的漩渦會(huì)消失，并在右側(cè)形成壁面脫流；當(dāng)時(shí)間達(dá)到80 s時(shí)，左側(cè)與右側(cè)的壁面脫流會(huì)分別形成附壁漩渦；當(dāng)速度達(dá)到100 s 時(shí)，兩側(cè)的附壁漩渦會(huì)迅速增大。

另外，水泵吸入管的流速是不均勻的，其數(shù)值會(huì)隨著時(shí)間的改變而變化。在同時(shí)開(kāi)啟4 臺(tái)機(jī)時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟4臺(tái)機(jī)吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)變化（表5）可知，Svmax的數(shù)值變化較小。2 臺(tái)機(jī)與3 臺(tái)機(jī)的的數(shù)值略小于1臺(tái)機(jī)與4臺(tái)機(jī)，這主要是受到組合方案1 中心漩渦的影響，其主水流會(huì)逐步涌入到1 臺(tái)機(jī)與4 臺(tái)機(jī)對(duì)應(yīng)的水池中，形成兩側(cè)的附壁漩渦，附壁漩渦的形成對(duì)吸入管進(jìn)口流動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。

表5 開(kāi)啟4臺(tái)機(jī)吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)

5.2 開(kāi)啟3臺(tái)機(jī)組

開(kāi)啟3 臺(tái)機(jī)組主要為開(kāi)機(jī)組合方案2 的方法，1、2、3 臺(tái)機(jī)開(kāi)啟，4 臺(tái)機(jī)關(guān)閉，在這種情況下會(huì)形成側(cè)面主流集中的方式，進(jìn)而讓4 臺(tái)機(jī)對(duì)應(yīng)的進(jìn)水池形成相對(duì)獨(dú)立的漩渦，流速較為穩(wěn)定。當(dāng)接近1.0 m時(shí)，其流動(dòng)的情況仍然呈現(xiàn)復(fù)雜的情況。當(dāng)時(shí)間達(dá)到20 s時(shí)，前池側(cè)壁的附壁漩渦在前池的中間位置，同時(shí)出現(xiàn)了大范圍的回流，并存在擴(kuò)散不充分的情況。時(shí)間達(dá)到40 s時(shí)，附壁漩渦逐步形成局部漩渦，其漩渦的范圍不斷擴(kuò)大，同時(shí)在漩渦影響下，主流的偏轉(zhuǎn)角度不斷減少。

另外，在開(kāi)啟3 臺(tái)機(jī)時(shí)，1 臺(tái)機(jī)的流速最大值不均勻系數(shù)隨著時(shí)間波動(dòng)出現(xiàn)小幅變化（表6），但2臺(tái)機(jī)與3 臺(tái)機(jī)會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，特別是3 臺(tái)機(jī)會(huì)形成相應(yīng)的橫流，進(jìn)而對(duì)吸入管進(jìn)口速度產(chǎn)生一定的干擾。由此可知，吸入管的進(jìn)口速度與前池的流態(tài)具有較大的關(guān)聯(lián)。

表6 開(kāi)啟3臺(tái)機(jī)吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)

5.3 開(kāi)啟2臺(tái)機(jī)組

開(kāi)啟2 臺(tái)機(jī)的方案分別是方案3、方案4、方案5，方案3與方案4屬于組合的開(kāi)機(jī)方式，方案5為一側(cè)的開(kāi)機(jī)方式。

在進(jìn)行方案3時(shí)，當(dāng)時(shí)間為20 s時(shí)，出現(xiàn)了大范圍的反向回流及擴(kuò)散不充分的情況，對(duì)主流流速產(chǎn)生一定的影響。時(shí)間為40 s時(shí)，出現(xiàn)了局部的漩渦，同時(shí)在40 s 后，局部漩渦對(duì)主流水流的擠壓逐步減弱，其漩渦的位置也逐步向引渠的位置進(jìn)行偏移。由以上分析可知，在開(kāi)啟3臺(tái)機(jī)時(shí)，由于受到大范圍回流的影響，主流流入前池時(shí)，其左側(cè)的流向會(huì)發(fā)生偏離，4臺(tái)機(jī)的水流會(huì)流入3臺(tái)機(jī)進(jìn)水池，并會(huì)回流起到一定的補(bǔ)充作用［9］。

在方案3 中，2 臺(tái)機(jī)、4 臺(tái)機(jī)的流速最大值不均勻系數(shù)相對(duì)1臺(tái)機(jī)而言，其變化波動(dòng)情況較大（表7），這主要是受到局部漩渦的影響。

表7 方案3吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)

方案4 相比方案3 而言，在20 s 時(shí)，其主流會(huì)在前池形成相應(yīng)的局部漩渦與獨(dú)立回流的情況，進(jìn)而在前池的作用下導(dǎo)致進(jìn)入水池的流速出現(xiàn)不均勻的情況。在20 s之后，前池的漩渦會(huì)逐步變小，但仍然會(huì)對(duì)單獨(dú)形成的回流帶來(lái)一定的擾動(dòng)。在流速最大值不均勻系數(shù)（表8）方面，其4臺(tái)組的不均勻系數(shù)大于2 臺(tái)組，這說(shuō)明雖然主流進(jìn)入到了4 臺(tái)組對(duì)應(yīng)的進(jìn)水池，但未能提供良好入流條件。

方案5 在20 s 時(shí)，前池右側(cè)壁面的局部漩渦范圍較小，其主流偏轉(zhuǎn)角度也較小，同時(shí)出現(xiàn)了橫流與回流的現(xiàn)象。在40 s 時(shí)橫流逐步消失，在60 s 時(shí)局部漩渦逐漸變小，使得進(jìn)入水池的水流更加平穩(wěn)。在方案5 中，開(kāi)啟4 臺(tái)機(jī)組相比3 臺(tái)機(jī)組而言，具有較好的穩(wěn)定性，說(shuō)明一側(cè)開(kāi)啟臺(tái)機(jī)的方式會(huì)受到橫流影響，并且比較顯著。方案5 吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)見(jiàn)表9。

表9 方案5吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)

5.4 開(kāi)啟1臺(tái)機(jī)組

開(kāi)啟1 臺(tái)機(jī)主要涵蓋了方案6、方案7、方案8，在方案6開(kāi)啟時(shí)，其進(jìn)水池的水流較為平穩(wěn)，隨時(shí)間變化的情況較小。但在20 s 時(shí)會(huì)形成附壁漩渦、局部漩渦，在一定程度上影響主流的匯集。在20 s后，進(jìn)水池與前池未發(fā)生明顯變化，同時(shí)前池中產(chǎn)生的附壁漩渦會(huì)互相干擾，并逐步向下游移動(dòng)［10］。

在方案7中，20 s時(shí)會(huì)形成較大范圍的漩渦，影響正常的水流流出，但在40 s后，較大的漩渦逐步向右側(cè)移動(dòng)，進(jìn)而流入到進(jìn)水池中。

在方案8 中，20 s 時(shí)與方案7 一樣，會(huì)形成較大范圍的漩渦，同時(shí)出現(xiàn)相應(yīng)的回流現(xiàn)象，20 s后漩渦逐步變小并脫落，向下游移動(dòng)。另外，也會(huì)形成相應(yīng)的獨(dú)立小漩渦，并對(duì)主流產(chǎn)生一定的擠壓。

通過(guò)方案6、方案7、方案8 吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)（表10）可知，吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)較為穩(wěn)定，但方案6 相比其他2 個(gè)方案的系數(shù)起伏略大，所以只開(kāi)啟1臺(tái)機(jī)時(shí)，方案7、方案8相比方案6更加適合。

表10 方案6、7、8吸入管進(jìn)口速度最大值不均勻系數(shù)

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)不同開(kāi)機(jī)組合下泵站前池與進(jìn)水池中的水流流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，先進(jìn)行前池與進(jìn)水池計(jì)算模型的構(gòu)建，再進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性的參數(shù)評(píng)判，并進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證。針對(duì)模型邊界條件的設(shè)置，共設(shè)計(jì)了8 中開(kāi)機(jī)組合方案，并按照組合方案進(jìn)行了前池與進(jìn)水池中的水流流動(dòng)特性的分析。

（1）在不同的開(kāi)機(jī)組合下，開(kāi)4臺(tái)機(jī)、3臺(tái)機(jī)、2臺(tái)機(jī)的吸入管進(jìn)口中心所在特征截面上，前池中的水流流動(dòng)比較平穩(wěn)，但靠近水面特征截面上水流流態(tài)的情況較差，同時(shí)主流在流入前池前與前池后，均會(huì)發(fā)生較大的偏移情況。

（2）在不同的開(kāi)機(jī)組合下，啟動(dòng)1 臺(tái)機(jī)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生主流流水?dāng)U散不充分的情況，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的漩渦與附壁渦，但開(kāi)啟不同數(shù)量機(jī)組時(shí)，其水流流態(tài)、漩渦、附壁渦會(huì)隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生明顯的差異。

（3）不同的開(kāi)機(jī)組合都會(huì)對(duì)吸入管進(jìn)口的預(yù)旋會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但組合開(kāi)機(jī)與單臺(tái)開(kāi)機(jī)相比其他組別，對(duì)吸入管進(jìn)口的預(yù)旋產(chǎn)生的影響較小。

（4）在不同的開(kāi)機(jī)組合下，吸入管進(jìn)口速度的分布呈現(xiàn)不均勻的情況，同時(shí)能夠隨著時(shí)間的變化而移動(dòng)，尤其是一側(cè)開(kāi)機(jī)組的流速較為明顯，這主要是由于受到橫流與漩渦的影響。