基于大涡法泵站进水口涡流特性研究

韦 晔

(广东华禹工程咨询有限公司，广东 广州 511340)

进水池是泵站工程中的重要组成部分，进水池的流态及水力特性会影响水泵的使用性能，不良的流态[1]如涡流等现象会直接损害泵站进水管，在引水过程中出现空蚀等现象。泵站进水池处水流多呈现湍流状态，前池的水流经过进水池时会由于流速不均出现涡流现象，无规律变化的涡流是影响泵站正常运行效率及稳定性的重要因素。因此，研究泵站进水池中涡流状态对泵站采取适当的预防及消涡措施具有重要意义。

根据水力学相关理论可知，涡流是流体在流动过程中普遍存在的一种基本形态[2]。泵站进水池作为常见的水工建筑物，通常用于水电站厂房取水的取水建筑物，根据其使用功能常布置在压力前池与泵站之间。造成涡流现象[3]出现的常见原因有以下几种：进水池选址不当引起的水流不均匀流动；沿进水池流道中存在阻碍物造成水流的不均匀流动；进水池流道中梯段设置不当造成水流流速梯度较大等。

1 嵌入式大涡法模型

湍流场中广泛存在尺度的相似性[4]，因此在建立大涡模拟方程前需进行尺度分析，通过建立约束条件，确定湍流大涡模拟的亚网格模型系数，进而给出新的大涡模拟计算模型。泵站进水池的流态极不稳定，在建立湍流场模型时，在接近平衡的湍流区域采用雷诺平均模型进行模拟，而在非平衡湍流区即涡流区则采用嵌入式大涡数值模拟[5]。

进水池中的流动可以看作为不可压缩流动[6]，根据不可压缩流动的水力特性列出数值计算的控制方程如公式(1)及(2)所示。

(1)

(2)

2 模型模拟介绍

本文中用于实验模拟的室内物理模型主要由进水池前池、进水池流道、吸水管3部分组成。模型示意如图1所示。

图1 实验模型示意(单位：mm)

为便于观察实验结果，将进水流道的四周及底部均选用亚克力玻璃材质。吸水管直径为0.114 m，进水池总长0.916 m，流道宽为0.284 m，进水池流道内水流的平均流速为0.22 m/s。喇叭口距离底部为0.5d，吸水管吸水的流量假定为0.02 m3/s，吸水管内水流平均流速为1.9 m/s。定义吸水管雷诺数为220 000，流道雷诺数为84 000，通过改变水流通过吸水管的流量和水位高度来模拟不同实验工况。实验主要观察不同工况下，吸水管周围水流的特性和出现的涡流类型，根据实验现象分析不同涡流状态产生的原因。实验过程中观测仪器采用PIV测量仪器，示踪粒子采用随性良好、直径为3～5 um的空心玻璃球作为示踪粒子。

嵌入式大涡法模型进行计算时计算量较大，故本文利用ANSYS建立实体模型并进行有限元分析。在分析计算过程中采用自适应网格划分，降低网格划分过程中的误差估计。嵌入式大涡模型为分域模型，故在利用ANSYS进行网格划分时将实验用流场划分若干个网格区域，针对边界及自由液面等局部区域进行网格细化，网格数为6.8×106。定义实体模型中进水口设置为自由表面，出水口定义为质量流边界，且进水口与出水口处的质量流量相等。在整个计算过程中进水池壁面定义为无滑移的边界条件。

实验过程中通过对比附底涡、表面涡两种典型涡流的环量来验证模拟。由图2～3可以直观的看出模拟数值与实测数值环量的变化趋势接近，模拟结果的数值略大于实测数值，且环量的变化率高于实测数据计算的数值。这一结果表明本文选用的嵌入式大涡法模型模拟结论与模型实验的结论大致相同，故可在模拟结论的基础上进行下一步的分析。

图2 附底涡环量对比示意

图3 表面涡环量对比示意

3 涡流水力特性研究

3.1 进水池涡流分类

实验时，对进水池周围壁面位置进行拍摄，每秒拍摄3对单次曝光照片。实验时通过调节吸水管流量和水位高度，观察并记录不同流量和水深条件下，进水池吸水管周围水流的特性和出现涡旋的类型，进而得出涡旋类型的整体发展过程。

实验得到的实验数据代入拟合公式求得结果与Chang[7]的实验结果一致，说明该模拟装置可以用于测试进水口的涡流状态。由拍摄结果可知在进水池部位常见的涡流状态包括自由表面涡、附底涡、侧壁涡、后壁涡，具体的涡流形态描述如下。

3.1.1自由表面涡

通过观察可知，在模型吸水管后部分别形成了1个呈逆时针旋转的涡流，1个呈顺时针旋转的涡流，因为涡流出现在吸水管后部液面的表面，故定义为表面涡。随着测量截面不断向吸水管进口靠近，涡流形成的流线在涡核区域有聚集的趋势。随着测量截面向吸水管进口靠近，涡心的强度是明显增加的，原因在于涡流由于受吸水管的吸附力作用，表现出向下不断增强且涡核区域不断减小的特性。

3.1.2附底涡

通过示踪粒子显示的附底涡的流线可知，可明显观测到在进水管喇叭口的下方形成了1个逆时针旋转的涡流。随着测量截面渐渐移向吸水管进口，涡流中心的涡流现象较为明显，示踪粒子的流线在涡流中心位置有不断聚集。随着测量截面向吸水管进水口的距离不断减小，涡流中心的强度是明显增加的。这种现象表明涡由于受吸水管的吸附力作用，表现出越靠近吸水管进口涡流强度越强，而流中心的涡流强度不断减小，直至涡流被吸入吸水管中。

3.1.3侧壁涡

通过示踪粒子的涡流流线图可以看出在进水池壁面的涡流几乎与吸水管进口等高。随着测量截面不断移向吸水管进水口，涡流位置逐步向吸水管进口下方移动，同时涡流中心的涡流强度不断减小，表明吸水管进口对侧壁涡有加强作用，并且有侧壁涡吸入吸水管中。

3.1.4后壁涡

通过示踪粒子的涡流流线图可以明显观察到水流在通过吸水管时有两股水流会绕过吸水管后再汇合，而这两股水流在绕过吸水管时在吸水管两侧的流量不均等，故在吸水管后方会经常出现顺时针旋转和逆时针旋转的两个涡不断相互缠绕的生成和消失现象，定义为后壁涡。是由于吸水管进口的吸附力作用，涡流中心强度增加，形成贯通到吸水管中的后壁涡。

3.2 进水口临界淹没深度

为防止水泵进水池喇叭口发生吸气涡流现象，通常要求水电站进水池有一定的淹没深度。大量学者通过研究发现，总结出临界淹没深度这一指标作为进水池的主要水力特性，其中临界淹没深度主要受弗汝德数、速度环量及雷诺数的影响。

Gordon[8]通过分析多个水电站原型的数据资料，推导出临界淹没深度的经验公式如下：

(3)

本文通过室内物理模型实验，设计不同实验条件的工况如表1所示，得到针对于本文中实验模型的拟合公式为：

(4)

3.3 尺度效应

造成涡流现象的流体力学因素主要包括惯性力、粘滞力及表面张力。目前水泵进水池室内模型大多以弗汝德数相似的原则进行设计，故本实验中主要考虑惯性力对水流的影响。

进水池处涡流的强度大小通常用速度环量来衡量，由于侧壁涡、后壁涡的涡流强度较小，且易受周围水流扰动造成统计不便，故本文研究对象主要为自由表面涡和附底涡。通过分析速度环量随雷诺数、涡核半径变化而变化的规律，判断涡流的尺度效应。附底涡的速度环量变化如表2所示，自由表面涡的速度环量变化如表3所示。

表2 附底涡不同涡核半径的速度环量

分析表2数据可知，进水池的速度环量随着Re/Rep比值在1～0.3范围内减小而不断增大，呈现负相关的规律。而当Re/Rep比值为0.1时，速度环量呈相反趋势变化，表明在此范围内涡流存在着尺度效应。

表3 表面涡不同涡核半径的速度环量

通过表3数据分析可知，自由表面涡的速度环量随着Re/Rep比值在1～0.3范围减小而减小，呈现正相关的规律。当Re/Rep比值为0.1时，速度环量值突增，表明此时自由表面涡流存在着尺度效应。附底涡和自由表面涡都存在尺度效应但涡流变化规律相反。

3.4 消涡工程措施

通过上述分析结果表明，泵站进水池消涡工程主要通过以下几个方面：①控制进水池淹没深度。通过将进水池最低水位控制在临界淹没深度以下，用以消除涡流现象。②减小水流速度环量。通过减小进水池滞水区范围来消减回流，进而减小水流的速度环量，起到消涡的目的。③安装消涡装置。通过在进水池上方设置消涡梁、消涡板等结构用以消除进水池涡流。

4 结语

通过模型实验及大涡法数值模拟结果可知，在泵站进水池存在4种涡流状态,即：自由表面涡、附底涡、侧壁涡、后壁涡,了解进水口涡流状态有利于针对不同的涡流形态开展不同的消涡措施。通过对进水口临界淹没深度及尺度效应两个水力特性的分析，总结出常见的3种消涡方式。