浅析泵站喇叭管进水流道内部旋涡

叶鹏 李虎

一、引言

随着我国经济的不断发展，我国水泵站的发展规模已位居世界第一，大量的水泵广泛应用于农业、工业和城镇建设等领域，为推动现代化建设发挥了巨大的作用。水泵站的核心是泵装置，而进水流道是整个泵装置的重要组成部分。进水流道是泵站前池和水泵的叶轮室之间的过渡段，其主要作用是调整水流，为水泵叶轮室提供良好的进水流态。旋涡是进水流道中一种常见的物理现象，有相关学者将旋涡比作流体运动的肌腱，从中可以看出旋涡对流体运动的重要性。工程应用中大部分进水流道都是带着旋涡工作的，虽然有些旋涡是非稳定存在且难以捕捉，但是随着时间的推移，旋涡不仅会恶化水泵叶轮进口水力条件及水泵装置工作状态，降低泵装置的效率，而且还会诱发汽蚀，削弱水泵的稳定性及安全性。因此，有必要深入研究进水流道中的旋涡运动的相关机理，鉴别不同类型的旋涡，并找到相应的工程措施来控制甚至消除旋涡的危害。

二、旋涡的分类

喇叭管进水流道内部流态非常复杂，存在多种旋涡，按照旋涡发生的位置，可以把旋涡分为水面涡，附壁涡，附底涡三种类型。

（一）水面涡：水面旋涡常常发生在进水建筑物进水口的表面，根据吸气情况，可以分为Ⅰ型涡、Ⅱ型涡、Ⅲ型涡、Ⅳ型涡四种，其中Ⅰ型涡旋转速度最小，不吸气，危害最小;Ⅳ型涡旋转速度最大，连续吸气，危害最大

（二）附壁涡：附壁涡一般可以分为侧壁旋涡和后壁旋涡两种。

1.侧壁旋涡：侧壁旋涡产生于喇叭管进水流道的侧壁，水流流至流道后壁处时，由于固体边壁的限制，阻碍水流继续前进，产生回流，而这部分回流会与主流掺混，诱发旋涡，严重时将产生涡带。进水流道宽度过小，会增大水流从喇叭管两侧进入时受到的阻力，从而容易产生侧壁旋涡。

2.后壁旋涡：后壁旋涡产生于喇叭管进水流道的后壁，水流在流至喇叭管进水流道后壁处时，受喇叭管进水流道形状的限制，固体边壁发生突变，而水流存在惯性不能随边壁发生突变，由此在后壁处形成后壁旋涡。

3.附底涡：附底旋涡产生于喇叭管进水流道喇叭管的正下方的边壁处，在水流的强迫作用下，呈扭曲状发展延伸至喇叭管内部，最终消散于叶轮进口。

三、旋涡的防治

为了减少喇叭管进水流道内部旋涡的危害，专家学者们设立了许多消涡措施，可以大致归纳为通过设计相关参数，消除旋涡增大的来源、直接破坏旋涡的结构以及设立防涡结构等，针对不同类型的旋涡有不同的消涡措施，具体措施如下：

（一）水面涡

1.我们可以通过调整水泵站，水电站相关的设计参数，控制运行条件来消除水面涡，比如增大进水口淹没深度，减少进水角度，限制进水水流的流速，合理布置设计喇叭口，选择适宜的导墙和胸墙的形式等。

2.可以通过安装专门的防涡结构的方式来阻止旋涡的产生，如可以在发生水面涡的位置设置防涡梁，放置浮板、浮球等漂浮物，它们可以看做为刚体，可以破坏旋涡附近水流的速度环量，并增大水流的水面张力，减少产生水面涡的条件。

3.可以通过修建专门的消涡设施的方式来消涡，如修建水平隔板、翼墙和隔墙等设施来改善进水口水流的进水条件。

4.让水泵站在高水位工况下运行，保证进水口有一定的淹没深度并尽量减少进水水流的流速，削弱水面涡的强度。

（二）侧壁旋涡。喇叭管进水流道宽度对喇叭管进水流道侧壁旋涡具有决定性的影响。进水流道宽度过小，会增大水流从喇叭管两侧进入时受到的阻力。我们可以通过增大喇叭管进水流道的宽度来削弱侧壁旋涡的强度。根据相关数值模拟和实验，喇叭管进水流道宽度小于2.8倍的叶轮直径时，将会产生较强的侧壁涡带，故喇叭管进水流道宽度不宜过小。

（三）后壁旋涡。后壁旋涡的强度与喇叭管进水流道的后壁距及后壁形状有着密切的关系。相关数值模拟和实验表明：喇叭管进水流道后壁距越小，固体边壁发生突变的程度越厉害，侧壁旋涡的强度就越高，故我们可以通过增大喇叭管进水流道的后壁距，并将后壁形状设计成适合水流流动的“ω”型，这样可以使喇叭管进口四周的水流流速更加均匀，减少水流的速度梯度，削弱后壁旋涡的强度。

（四）附底旋涡。附底旋涡的强度与喇叭管进水流道的悬空高有着密切的关系。相关数值模拟和实验表明：喇叭管进水流道悬空高越小，附底旋涡的强度就越高，因此我们可以通过控制喇叭管进水流道的悬空高来削弱附底旋涡。还可以在进水流道喇叭管正下方设置防涡导水锥和隔涡板来消除附底旋涡。

四、结语

本文简要地从喇叭管进水流道的旋涡的分类，消除旋涡的措施两个方面研究了喇叭管进水流道旋渦，对喇叭管进水流道的水力设计和工程实际应用有一定的参考价值。今后可继续对进水流道的旋涡进行更加深入的研究，将各类旋涡数值模拟和模型试验的结果结合起来进行对比分析，探究旋涡形成及流动机理，探索控制消除旋涡的措施来减少旋涡的危害，为泵装置性能优化提供依据。（作者单位：南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司）