有壓進水池消渦導水錐研究

蔣紅櫻，成 立，顏紅勤

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029；2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

泵站進水池的作用是將泵站前池的水流引入水泵葉輪，確保水流在進水池完成轉變，并且平順的進入葉輪室。目前國內外學者主要集中于對開敞式進水池的水動力性能分析、水力效率數值優化、模型試驗方面的研究。成立等[1]利用數值模擬得到開敞式進水池幾何參數。錢義達等[2]進行了開敞式進水流道的實驗研究，并給出了相應的幾何參數。王本成等[3]利用數值模擬結合水動力性能研究了喇叭管懸空高的具體影響。陸林廣等[4]進一步研究開敞式進水池并完成水力性能優化。何婷婷等[5]對開敞式進水池后壁形狀進行了研究。關于有壓進水池的研究相對于箱涵式進水流道以及開敞式進水池的數值模擬和試驗研究要少很多[6,7]。陳松山[8]和周濟人等[9]進行箱涵式進水流道試驗方面的研究，同時也增設相關整流措施。楊帆等[10]采用CFX軟件對雙向立式軸流泵裝置水力性能進行分析。本文結合某泵站工程，研究了不同導水錐的形式和尺寸對有壓進水池水力性能影響。

1 封閉式進水池幾何參數

封閉式進水池泵站包括進水池、葉輪、導葉以及90°彎管銜接的出水池，立式軸流泵裝置模型如圖1所示。

圖1 封閉式進水池

葉輪的葉片數為3，葉片安放角為0°，葉輪直徑為1 200 mm，轉速為370 r/min；導葉的葉片數為7。單泵流量為5 m3/s。

典型的封閉式進水池為矩形結構形式，即后壁形狀為矩形。進水池寬度B、后壁距T、喇叭管懸空高C，如圖2所示。圖中DL為吸水喇叭管口直徑，本文DL=1 200 mm，進水池各幾何參數以DL為基本參數表示。

圖2 封閉式進水池結構形式

2 數值計算

2.1 控制方程

采用三維雷諾時均N-S方程來描述泵站內不可壓縮流體的湍流流動。湍流模型采用標準k-ε模型。標準k-ε模型通過修正湍流黏度考慮了平均流動中的旋轉及旋轉流動情況，可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度大的流動。

2.2 動靜交界面

對于泵站來說，包含旋轉的葉輪、靜止的導葉和進、出水池，其中進水池與葉輪、葉輪與導葉之間有相互流動耦合作用，處理動靜交界面對整個裝置的計算起重要影響。本文采用多參考系模型處理動靜交界面，以保證交界面的連續性。

2.3 邊界條件及網格剖分

進口條件采用的是質量入口，給定進口邊界上的質量流量。出口邊界取在出水流道較遠處，由于出流邊界上的壓力或速度均未知，故采用自由出流。在固體邊壁處規定無滑移條件(即u=v=w=0)，在近壁區的流速分布按照壁面定律確定。

部分采用結構化網格劃分，由于葉輪及導葉等部分，幾何形狀復雜，采用非結構化網格進行剖分，局部加密網格，并完成網格無關性驗證，計算總網格數為190萬。其中進水池網格數量60萬，葉輪21萬，導葉49萬，出水池60萬。對進水池部分進行20～80萬數量網格無關性驗算，葉輪部分進行10～50萬數量網格無關性驗算。分別采用效率以及揚程作為評判指標，圖3表明，當進水池網格數達到50萬以后，再增加網格數對效率影響不是很大。當葉輪部分網格數量達到20萬后，泵段揚程在2.372附近浮動，揚程變化較小。最終從占用計算資源的角度考慮，最終選取進水池60萬、葉輪21萬網格單元數進行計算。

圖3 網格無關性驗證

3 數值模擬結果與分析

3.1 導水錐

為消除進水池底部可能產生的附底渦以及研究導水錐形式對泵站水力性能影響，共設計了9種方案(包括未加導水錐方案)。表1為導水錐形式優化方案。HZ為導水錐高度，BZ為導水錐底寬。

表1 導水錐形式優化方案

3.2 三角形導水錐高度

表2為不同三角形導水錐高度下效率比較，圖4為進水池內部軸向壓力分布圖。由表2可知，隨著三角形高度的增加，泵站水力性能下降，表明過高的導水錐在一定程度上阻礙了進水池向喇叭管的進水，影響了喇叭管下方水流的繞流。幾個方案的流線相對比較均勻。對比方案4與方案2，水力性能相差較小，效率變幅為0.27%，與未加導水錐相比，變幅下降了0.34%。方案2與方案1相比，效率下降0.07%。圖4表明：在喇叭管處，沿著水流流向壓力均勻遞增，無負壓形成。從消除進水池下方附底渦產生的條件的角度，如果采用三角形導水錐，推薦采用方案2。

表2 三角形導水錐水力性能比較

圖4 進水池內部軸向壓力分布圖

3.3 三角形導水錐底寬

表3為不同三角形導水錐底寬效率比較，圖5為進水池出口斷面壓力分布。由表3可知，隨著三角形導水錐底寬的增加，泵站水力性能增強，效率有所提高，變幅達到0.38%。底寬過小，在喇叭管后下方因過大空間易形成滯留區，影響水泵效率。圖5各方案壓力面上的軸向流速矢量分布均勻，均由高壓指向低壓，定量計算流速均勻度分別為0.86，0.82，0.87。如果采用三角形導水錐，推薦采用方案2。

表3 三角形導水錐水力性能比較

圖5 出口斷面壓力分布圖

3.4 傳統型導水錐

表4為傳統型導水錐在不同底寬下的效率比較，隨著底寬的增加，泵站水力性能下降，表明導水錐的底寬過寬，在一定程度上阻礙了進水池向喇叭管的進水。對比方案9與方案7，水力性能相差較小，效率下降了0.25%，與原方案(方案1)相比，效率下降了0.21%。方案7與方案1相比，效率上升0.04%。圖6進水池內部軸向壓力分布圖表明，導水錐兩側壓力分布沿著水流方向均勻遞增。從消除進水池下方附底渦產生的條件的角度，如果采用傳統型導水錐，推薦采用方案7。

表4 傳統型導水錐水力性能比較

圖6 進水池內部軸向壓力分布圖

4 結 語

三角形導水錐，隨著三角形高度的增加，泵站效率在下降，說明過高的導水錐在一定程度上阻礙了進水池向喇叭管的進水。隨著三角形底寬的增加，泵站效率在增加，說明增大底寬對喇叭管進水起導流作用。

傳統型導水錐，隨著底寬的增加，效率在下降，說明過大的底寬不利于喇叭口的進水。

無論是采用三角形導水錐還是傳統型導水錐，從效率的角度而言，它們對于泵站效率的影響不是很大。從考慮消渦的角度而言，設置導水錐是很有必要的，將有效減小進水池底部產生的附底渦。