不同進水流速對泵站進水池漩渦的影響

高傳昌，高余鑫，李曉超

(華北水利水電大學，鄭州 450045)

泵站進水池的形式和尺寸如果不合理，不僅在水泵或進水管周圍產生環流，而且容易在自由水面產生進氣漩渦，水下也容易產生附壁漩渦。這些環流和漩渦不僅要消耗能量，更嚴重的是，當空氣或渦帶進入水泵后，水泵性能變壞，效率降低，甚至會引起水泵汽蝕，機組發生強烈振動而無法工作[1]。

迄今為止，國內外學者就引起進水池漩渦的因素做了大量研究：郭苗[2]基于LBM數值模擬和試驗結果研究了后壁距、臨界淹沒水深、水中空氣含量對進水池流態的影響，并模擬出了進水池內部的漩渦結構及演化過程；宋希杰[3]采用V3V測量技術和VOF方法研究了進水池內的漩渦流動，分析了附底漩渦演化過程中的動力學特性，提出新的消渦抑渦措施；張德勝等[4]采用大渦模擬和VOF方法探討了泵站進水池表面渦和底渦的形成和演化的基本機制，并通過PIV試驗進行驗證；吳鵬飛[5]基于數值模擬和模型試驗的方法，研究表面吸氣渦動態過程和特性，揭示了表面吸氣渦形成及其抑制機理；文獻[6-16]分別采用V3V技術、PIV技術、數值模擬方法研究了自由表面漩渦的流場結構，得到自由表面漩渦的變化規律；文獻[17-23]通過理論分析、數值計算、模型試驗方法研究了進水口淹沒深度對漩渦的影響，得到漩渦強度與淹沒深度的關系。這些研究主要關注漩渦流場結構的測量、進水口淹沒深度、漩渦形成機理、進水池的體型優化等方面，而對于進水流速對表面漩渦的影響研究甚少。

以黃河下游田山引黃一級泵站為研究對象，采用數值模擬和試驗研究相結合的方法，就不同進水流速對泵站進水表面漩渦的影響進行研究。表面漩渦判別采用美國Alden實驗室的6型漩渦分類，即：Ⅰ型渦為表面渦紋；Ⅱ型渦為表面漩渦；Ⅲ型渦為染色漩渦；Ⅳ型渦為挾物漩渦；Ⅴ型渦為間斷吸氣漩渦；Ⅵ型渦為連續吸氣漩渦[24]。由于Ⅰ型和Ⅱ型漩渦對水泵性能影響甚微，工程上允許存在，因此本文僅對Ⅲ型以上漩渦進行判別。

1 田山一級泵站概況及存在問題

1.1 泵站概況

圖1 泵站進水建筑物布置及特征截面

1.2 存在問題

小浪底水庫多次調水調沙后，黃河下游主河槽河底高程大幅降低，黃河水位的顯著下降使得田山一級泵站的引水水位低于最低水位(33.70 m)，進水管口的淹沒深度降低，水泵在超低水位下運行，引起進水池流態惡化和空化條件的改變，導致進水喇叭管和水泵葉輪汽蝕嚴重、機組振動和水泵性能下降等一系列問題，甚至迫使機組停機。檢查發現，水泵的葉輪與葉片上均出現了汽蝕現象，氣蝕部位表面出現蜂窩狀凹坑，見圖2。

圖2 葉輪和葉片汽蝕情況

2 數值計算模型和計算方案

2.1 數值計算模型

采用NX UG 10.0軟件建立由引渠、前池、進水池、進水池隔墩、喇叭管和進水管構成的數值計算物理模型，模型比尺1∶10，泵站計算物理模型見圖3。

圖3 模型

2.2 網格劃分及無關性分析

計算區域分為引渠、前池、左側進水池、右側進水池、左側進水管和右側進水管6部分，采用Fluent Meshing將模型剖分為適應性更好的混合網格(邊界為多面體網格，內部為六面體網格)，其中,網格最小尺寸為3，最大尺寸為6，邊界層為10層，增長率為1.1。由于SSTk-ω湍流模型避免了構造復雜的非線性壁面衰減函數，降低了對近壁區網格y+的要求，可較好地預測帶有逆壓梯度的邊界層分離問題[25]，因此，計算過程中近壁區網格自動滿足SSTk-ω模型要求。無關性分析后確定網格數量為390.7萬個，其中：引渠部分28.3萬個，前池163.8萬個，左、右側進水池和進水管分別為90.3萬、89.5萬、9.4萬和9.4萬個，見圖4。

圖4 模型網格數目無關性分析

水力損失選擇進口斷面為引渠進口,出口斷面為進水管出口進行計算，見圖3和式(1)。

(1)

2.3 模型及邊界條件

計算采用非定常的SSTk-ω湍流模型和VOF模型、SIMPLE算法，離散方法為有限體積法，動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風格式。引渠進口為速度進口邊界條件，進水管出口為速度出口，出口1(空氣域上部)為壓力出口(其大小為1個標準大氣壓)，壁面為無滑移壁面。

2.4 數值計算方案

為了研究田山一級泵站不同進水流速進水表面漩渦特性，選擇9種流速工況進行數值模擬，計算模型進出口速度值見表1。

如表1所示，觀察組56例患者中，25例治療后基本痊愈，占比44.64%，16例治療后顯著有效，占比28.57%，8例治療后有效；占比14.29%，總有效率達到87.50%；對照組的56例患者中，18例治療后基本痊愈，占比32.14%，12例治療后顯著有效，占比21.43%，10例治療后有效，占比17.86%，總有效率達到71.43%。兩組總有效率之間比較有顯著性差異有統計學意義（P＜0.05）。

表1 原模型流速對照

2.5 特征截面的選取

選擇右側進水池的1-1截面(自由水面)、2-2截面(喇叭管進口水平面)、3-3截面(喇叭管進口中心縱截面)、4-4截面(進水池右部中間縱截面)、5-5截面(進水池右部邊壁縱截面)和6-6截面(喇叭管進口后部邊緣橫截面)為特征截面，見圖1。對特征截面進行流態和渦量分析。

3 數值計算結果分析

3.1 特征截面流態分析

3.1.1進水池水平剖面流態分析

圖5為進水池自由水面(1-1截面)和喇叭管進口水平面(2-2截面)的流線和流速分布。在不同進水流速v時，1-1截面的流速分布呈現出內部大于邊壁，2-2截面的流速分布為喇叭管進口附近最大且后墻與喇叭管進口間流速變化梯度明顯。流線分布均表現為進水池前部平順、后部紊亂，漩渦均在喇叭管與后墻間的區域，2個截面產生的漩渦數量分別為4～5和3～4個，且隨著進水流速的減小漩渦數量減少、強度降低。

圖5 在不同進水流速時進水池水平截面流速和流線分布

3.1.2進水池縱剖面流態分析

圖6為進水池喇叭管進口中心縱截面(3-3截面)、進水池右部中間縱截面(4-4截面)、進水池右部邊壁縱截面(5-5截面)的流線和流速分布。3-3截面的高流速區域位于喇叭管進口附近，隨著進水流速的增加區域增大，流線從前后部向喇叭管進口集中。4-4截面在喇叭管進口高度附近及前部形成高流速區域，流線起始于前部聚集于進水喇叭管口高度附近，在底壁和后墻夾角處形成水中漩渦。5-5截面的高流速區域位于喇叭管進口高度附近的后墻和喇叭管之間區域，受邊壁效應影響，流線分布比較紊亂，在底壁、右側邊壁和后壁的夾角處形成1個附壁渦。隨著進水流速增大，4-4和5-5截面漩渦產生位置不變，水中漩渦強度變化。

圖6 在不同進水流速時進水池縱截面流速和流線分布

3.1.3進水池橫剖面流態分析

圖7為進水池喇叭管進口后部邊緣橫截面(6-6截面)的流線和流速分布。該截面的高流速區域位于喇叭管進口高度附近，且隨著進水流速的增加區域增大，流線分布紊亂；在喇叭管口下方、側底壁夾角及底壁產生2～3個附底渦和附壁渦，漩渦的位置變化不大，但水中漩渦強度隨著進水流速增大有所增強。

圖7 在不同進水流速時進水池橫截面流速和流線分布

3.2 漩渦及渦量分布

3.2.1漩渦分布

在不同進水流速(v)下進水池和進水管形成的漩渦見圖8，漩渦分布采用Q準則進行體現。由圖8可知：進水流速在0.101 9～0.127 0 m/s時，水面產生波動，形成的氣泡浸入水體較深且間歇性地進入喇叭管口，形成Ⅲ、Ⅳ型渦；流速在0.152 9 m/s時，水面波動明顯，形成的氣柱浸入水體的深度達到喇叭管口附近，氣柱間歇性地進入喇叭管口，形成Ⅴ型渦；流速在0.164 7～0.178 4 m/s時，水面波動劇烈，形成的氣體連續地進入喇叭管口，形成Ⅵ型渦。可見，進水池形成的表面漩渦強度隨著進水流速增加逐漸增強。

圖8 在不同進水流速時表面漩渦分布

3.2.2渦量分布

圖9為喇叭管進口水平面(3-3截面)渦量分布圖。在渦量為-30～40 s-2，不同進水流速下，截面最大渦量值均位于進水管與后部邊壁之間，隨著流速增大，渦量值最大區域更加明顯、數量增多或集中，漩渦強度不斷增大。

圖9 在不同進水流速時喇叭管進口水平面渦量

3.3 進水流速與漩渦類型關系

對9種流速泵站模型進水池表面漩渦特性進行分析，得到進水池表面漩渦類型與進水流速的關系為：模型進水流速在0.101 9～0.127 0 m/s (原型進水流速0.322 5～0.401 6 m/s)時，漩渦類型為Ⅲ、Ⅳ型渦；模型進水流速在0.152 9 m/s(原型進水流速0.483 5 m/s)時，漩渦類型為Ⅴ型渦；模型進水流速在0.164 7～0.178 4 m/s(原型進水流速0.520 8～0.564 2 m/s)時，漩渦類型為Ⅵ型渦。

4 試驗驗證

4.1 模型試驗與方法

通過模型試驗方法對田山一級泵站進水物理模型數值模擬結果進行驗證，試驗研究為不帶泵的研究。田山一級泵站進水池中水流主要受重力支配，試驗按重力相似準則進行，模型比尺為1∶10。試驗系統包括：引渠、前池、進水池、進水管、模擬黃河水位水池、循環水池、連接管路、真空泵及離心泵，見圖10。試驗中采用的測量儀器見表2。

圖10 模型試驗系統

表2 測量儀器參數

4.2 不同流速的試驗研究

試驗采用3臺高性能DV同時進行多角度拍攝和錄像，不同進水流速的模型進水漩渦流態見圖11。由圖11可知，不僅產生了表面漩渦，還產生了水中渦(附底渦和附壁渦)：進水流速為0.101 9 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現強度時大時小的Ⅲ、Ⅳ型渦現象；流速為0.108 8 m/s時，出現2個對稱的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.109 8 m/s時，長時間出現Ⅲ、Ⅳ型渦現象；流速為0.117 2 m/s時，出現1個顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.118 9 m/s時，出現1個更顯著的Ⅳ型渦，偶爾出現Ⅴ型渦；流速為0.127 0 m/s時，出現1個更顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.152 9 m/s時，出現Ⅲ、Ⅳ型渦和Ⅵ型渦；流速為0.164 7 m/s時，出現2個Ⅵ型渦；流速為0.178 4 m/s時，長時間出現Ⅵ型渦。

圖11 在不同進水流速時的模型進水漩渦流態

4.3 試驗與模擬結果的對照

試驗研究中漩渦類型與數值模擬結果的對照見表3。由表3可知，試驗研究結果很好地驗證了數值模擬結果，在不同進水流速時進水池產生的漩渦類型不同。對泵站工程來說，允許Ⅰ、Ⅱ型漩渦存在，避免產生Ⅲ、Ⅳ型漩渦，不允許存在Ⅴ型及以上漩渦，因此要保證進水流態良好，進水流速值不應大于0.322 2 m/s。

表3 試驗研究與數值模擬漩渦類型對照

5 結 論

對田山一級泵站9種進水流速的表面漩渦特性進行數值模擬和試驗研究，得出如下結論：

泵站進水水深不變，進水流速為0.322 2～0.564 2 m/s時，泵站表面漩渦的強度隨進水流速的增大而增強。流速在0.322 2～0.401 6 m/s時，出現表面下凹的Ⅲ、Ⅳ型漩渦；流速在0.483 5 m/s時，出現表面下凹較深的間斷進氣Ⅴ型漩渦；進水流速在0.520 8～0.564 2 m/s時，出現漩渦中心為貫通的連續進氣的Ⅵ型渦。

保證泵站開敞式進水池進水流態良好，進水流速不應大于0.322 2 m/s。

研究還表明，進水池不僅產生了表面漩渦還產生了水中漩渦，水中漩渦產生的類型、強度、機理與進水流速的關系，需要進一步深入研究。