基于PIV的泵站进水池模型速度场测量及结构优化

张成波，唐泽润，郭佳栋，彭 宇，胡曾昊，蒋 劲

(1. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2. 武汉大学水力机械过渡过程教育部重点实验室，武汉 430072)

泵站进水池直接和水泵的吸水口相连，良好的进水池水流流态，对水泵正常运行和防止进水池泥沙沉积具有重要意义。泵站进水池的设计不当，会引起进水池内产生回流、旋涡和偏流等不良流态，而泵站进水池的不良流态造成的后果也比较严重[1,2]：第1是由于占地面积的限制，城市排污泵站进水前池扩散段小，从而使前池后的进水池流态更加紊乱，易形成回流和旋涡等不良的进水流态，情况严重的会引起水泵振动和汽蚀，使泵的效率降低；第2是进水水流中含有大量的悬浮固体颗粒，不良的进水流态使杂质和泥沙更容易在进水池沉积，造成泥沙沉积在死角和边壁，而泵站的清淤费力、耗时，清淤后又会重新开始沉积，影响泵站的正常运行[3,4]。现场实测和模型试验研究均表明，泵站进水池的流态直接影响水泵的正常运行，不良的流态可降低泵站效率3%～7%，因而改善泵站进水池的不良流态对于提高泵站效率有重要意义[5]。

随着现代测试技术的成熟，利用PIV等测试手段实现泵站进水池的流场可视化成为了试验研究发展的新方向。清华大学李萌[6]等利用PIV测量技术对非均匀来流开敞式水泵吸水口前流动进行了试验研究，研究了流场中出现气泡的数量和尺寸；扬州大学何继业[7]等利用PIV测量技术对泵站侧向引河段及前池加整流措施的流场进行分析，验证了整流措施添加后的效果；RAJENDRAN V P[8]采用二维PIV对进水池吸入口附近不同位置瞬时与时均流速场和涡量场进行测试，研究了泵吸入口下方涡与到池底距离的关系；FLAMMANG B E[9]等人利用V3V使水槽中鱼类尾部各区域产生的旋涡得以可视化；KIM D、GHARIB M[10]等人运用V3V测量探索水槽中平移和旋转的轮盘所产生涡旋的结构和运动；ANWAR H O[11]分析了涡的产生机理并提出了初步的消涡措施；ANSAR M[12]详细分析了矩形进水池进口有切向回流和无切向回流条件下的水泵进水池内流态情况。从试验方法和手段来看，对泵站进水流态的研究主要是通过试验观测，了解流场分布和宏观水流现象。到目前为止，模型试验是泵站进水流态研究的主要手段，该方法比较成熟，所得到的试验结果真是可信，但其试验成本高，周期长，有着模型尺寸、流场扰动、测量精度的限制等缺点。

1 泵站进水流道模型试验装置

考虑到DK泵站中水的杂质较多，可能会在进水池底部淤积，在进水池的挡水板下部安装护坡；且泵站潜水泵吸水口间距离较短，离进水池底部较近，为防止潜水泵吸入口下部区域形成大的旋涡，在每2台泵间安装消涡板。结合进水池尺寸和相关设计规范，具体示意图见图1，其中护坡截面为楔形，2边高分别为5 cm和1.5 cm，宽度为25.5 cm，长为90 cm。消涡板截面为等腰直角三角形，高为2.4 cm，长为17.5 cm，头状为锥形。护坡和消涡板在进水池中安装的位置见图1。

PIV垂直截面的测量方案见图1和图2，V1、V2、V3、V4为穿过4台潜水泵中轴线的垂直测量面。选取水泵前方L形挡水板后的A区域，L形挡水板下方的B区域和水泵进水口下方消涡板上方的C区域为垂直截面测量区域。其中A区域设置V1～V4 4个截面，B区域设置V2、V3 2个截面，C区域设置U1、U2 2个截面。

图1 A和B区域垂直截面位置示意图Fig.1 Location of vertical section in areas A and B

图2 C区域垂直截面位置示意图Fig.2 Location of vertical section in area C

PIV水平截面的测量方案见图3，L1为距进水池底面5 cm的水平测量截面，P1、P2、P3、P4为水泵吸入口的测量区域，W1、W2、W3、W4为进水池底部的测量区域。

图3 W和P区域水平截面位置示意图Fig.3 Location of horizontal section in areas W and P

根据模型试验的观察结果，由于水流从拦污池进入挡水板内区域流速方向改变，且在L形挡水板下方存在方形的孔洞，所以L形挡水板内的流态特别紊乱。使用V3V系统来对L形挡水板内的区域进行测量，测量区域见图3的D区域，位于进水池模型右侧L形挡水板内第1个方形孔洞上方90 mm处，测量区域为100 mm×100 mm×60 mm，V3V测量工况见表1。

表1 V3V流场测量工况

在表2中，PIV流场测量设置了3个工况进行对比，利用PIV图像测速技术，研究不同工况下进水池和水泵入水口处的流态分布。表2中3台泵与2台泵运行时的流量和水位为原型泵站对应工况流量和水位通过比例尺缩小而得，工况一和工况二对应原型进水池3台水泵运行流量3 m3/s、水位4.5 m，工况三对应原型进水池中2台机组运行流量2 m3/s，水位4.3 m。工况一和工况二可以相互对比来验证设计工况下护坡和防旋板的作用。工况二和工况三对比可以探求不同水泵台数运行对进水池流态的影响。

表2 PIV流场测量工况

PIV测试系统设备布置见图4，其中：1为可调焦片光透镜组；2为激光导管壁；3为有机玻璃水工模型；4为脉冲激光发射器；5为激光器控制箱；6为PIV测试系统服务器；7为同步器；8为CCD相机。

图4 PIV测试系统设备布置Fig.4 The layout of PIV test system equipment

处理拍摄到的粒子图像的第1步是进行粒子识别处理，粒子识别采用改进的2D高斯拟合算法，该算法对重叠区域的粒子也有较好的识别能力，第1步的计算结果会生成一个包含所有粒子像素位置的*.P2D文件。第2步是进行粒子匹配处理，要根据之前的标定结果，匹配4个相机中粒子的3D空间位置，并生成包含粒子空间位置的*.P3D文件。首先是利用系统标定去除图像中错误的粒子位置信息，然后利用粗细公差搜索同一个空间粒子在4个相机上拍摄到的4个粒子，最后用4个匹配的粒子确定该粒子的空间位置。第3步是进行速度处理，在A帧和B帧中利用粒子追踪技术获得单个粒子的3D速度矢量，并生成包含粒子3D位置和速度的*.PV3D文件。第4步是进行速度插值处理，即把粒子矢量插值到一个规则的网格上，并生成一个包含3D速度网格数据的*.GV3D文件，可以用于流场可视化等其他后处理。

2 泵站进水流道模型的PIV流场测量

为了更加准确地描述流场测量结果，在对测量结果进行分析之前作如下说明：在本次研究中，PIV流场测量获得的流速场均为时均流速，并且以流动的均匀性作为流态评价的指标。

2.1 有无护坡装置试验对比

试验工况为设计工况，3台潜水泵运行，设计流量为11.43 m3/s，设计水位为450 mm。对A区域4个垂直截面进行试验对比，对比这4个截面有无护坡装置的流态分布。

图5为A区域4个垂直截面有无护坡的试验结果，速度标尺为0～0.2 m/s。由图5可得，在无护坡装置时，截面V1、V2、V4中靠近进水池底部区域的速度矢量图大部分呈红色，说明该区域流速大部分接近0.2 m/s；加装护坡装置后，截面V1～V3中靠近进水池底部区域的速度矢量图大部分呈黄绿色，该区域流速大部分接近0.15 m/s。而该泵站进水池长度和宽度接近，过大的流速可能造成进水池底部区域的回流。且在无护坡装置时，截面V1和V4底部区域存在明显的沿流速方向斜向上的分流；装护坡后，则截面底部没有出现分流。

图5 A区域各垂直截面有无护坡速度矢量图Fig.5 Velocity vector on each vertical section of area A

通过对速度矢量中速度分量做标准差，可以对各截面有无护坡的流速均匀度的相对大小进行评估。由图6可得，加装护坡后，A区域各截面速度分量的标准差相比无护坡情况要小，反映了各截面x方向和y方向速度分量相对均值变化较小，流速均匀度较高。

图6 A区域各截面有无护坡速度分量标准差对比图Fig.6 Comparison of standard deviation of velocity component of each section in area A

对B区域2个垂直截面进行试验对比，对比这2个截面有无护坡装置的流态分布。

图7为B区域有无护坡速度矢量对比图。B区域位于L形挡水板下部，水流经挡水板改变方向后经一方形孔洞流入该区域。由图7(a)、7(c)可得，无护坡时，主流斜向下流入B区域，在接触进水池底部后改变水流方向。主流2侧都形成了旋涡，尤其是左下死角的旋涡容易造成泥沙沉积，需要定期除淤，给排污泵站的正常运行造成不便。而由图7(b)、7(d)可以看出，由于护坡截面呈楔状，主流接触护坡后，沿护坡流入后面的进水池，未形成明显的旋涡，流速的均匀度也得到了很大的改善。

图7 B区域各垂直截面有无护坡速度矢量图Fig.7 Velocity vector in each vertical section of area B

通过对无护坡和挡水板下方加装护坡的A区域和B区域垂直截面对比可以发现，加装护坡后，A区域下方流速变缓，流态得到改善；B区域避免了死角内泥沙的沉积，流速均匀度也得到很大的改善。综上通过试验对比验证了护坡的作用。

2.2 有无装设消涡板试验对比

试验工况为设计工况，3台潜水泵运行，设计流量为11.4×3 m3/s，设计水位为450 mm。对C区域2个垂直截面进行试验对比，对比有无消涡板泵吸入口下方垂直平面的流态分布。

图8为C区域2个垂直截面有无消涡板的试验结果，速度标尺为0～1.2 m/s。由图8可得，在无消涡板的情况下，U1和U2截面水泵进口存在明显的偏流，加装消涡板后，U1截面的偏流得到了改善，U2截面的流态更加均匀。

图8 C区域各垂直截面有无消涡板速度矢量图Fig.8 Velocity vector of each vertical section of area C

为表征水泵进口断面各单元速度加权平均角度，引入公式：

θ=∑uai[90°-arctg (uti-uai)]/∑uai

(1)

式中：uai为该断面各单元的轴向速度；uti为水泵进口断面各单元的横向速度。

通过对速度矢量中速度分量做标准差，并对进口各单元速度计算加权平均角度，分析加装消涡板后对水泵进口流态的改善。由表3可得，加装消涡板后，C区域各截面速度分量的标准差相比无消涡板情况要小，且U1截面速度加权平均角度相比无消涡板提高28.5°，U2截面提高14.7°。

表3 C区域各截面有无消涡板参数统计

对水泵进口L1水平面的P2和P3水平截面进行试验对比，对比有无消涡板泵吸入口下方水泵平面的流态分布。

图9为P2和P3 2个水平截面有无消涡板的试验结果，P2的速度标尺为0～2.5 m/s，P3的速度标尺为0～1 m/s。在P2和P3水泵入水口处由于水泵的作用都形成了清晰可见的顺时针旋涡。在速度比例尺相同的情况下，无消涡板P2和P3截面旋涡亮度更高，速度更大，且旋涡的紊乱程度也高于加装防旋板的情况。

图9 P2和P3水平截面有无消涡板速度矢量图Fig.9 Velocity vector of horizontal section P2 and P3

通过对无消涡板和水泵下部区域2侧加装消涡板的垂直和水平截面对比可以发现，加装消涡板后，垂直截面上流速均匀度和速度平均角度都得到了改善，且水平方向上旋涡的紊乱程度得到减弱。通过试验对比验证了加装消涡板的合理性。

2.3 3台泵运行时进水池水平截面流态分析

W1、W2、W3、W4为L1水平面进水池底部的4个测量区域，对加装护坡和消涡板后设计工况下这4个区域的流态分布进行PIV测试。

图10中速度标尺为0～0.2 m/s，图片沿x方向右侧靠近进水池右边壁，沿y方向上方靠近水泵。由图10(a)得，在W1区域中间部分的流速较大，达到0.2 m/s，靠近边壁的区域中靠水泵侧有较小的旋涡；图10(b)中W2区域的流速较为平稳，没有旋涡，但左侧区域的流速较大；图10(c)中的W3区域流速为0.1～0.15 m/s，但流速较为紊乱；图10(d)中W4区域的左侧靠近进水池左边壁，靠右侧区域流速较大，达到了0.2 m/s。综上，L1水平面处的4个区域没有明显的旋涡，但流速分布不均匀；靠近边壁处较为紊乱，有小的旋涡，但影响较小。

图10 W1～W4水平截面PIV测试速度矢量图Fig.10 Velocity vector of horizontal section W1 ～ W4 with PIV

为表征W1～W4区域内流速分布的均匀度，引入公式：

(2)

由表4可得，水平截面W1～W4区域的加权平均角度都大于60°，说明水流在进水池内进水方向良好。但W1和W2区域的流速分布均匀度明显偏小，说明设计工况下，进水池右侧区域的流态不均匀，而左侧区域流态较好，这是因为引水系统不对称引起。

表4 水平截面W各区域参数设计

2.4 2台泵运行各截面流态分析

加装护坡和消涡板后，2台潜水泵运行，设计流量为11.4×2 m3/s，设计水位为430 mm，选择中间2台的水泵运行。对A区域4个截面，B区域2个截面进行垂直方向上的流态分析，对P1～P4、W1～W4 8个截面进行水平方向上的流态分析。对各截面的试验结果进行如下分析。

由图11可知，A区域4个垂直截面2台泵运行与3台水泵设计工况运行时相比，进水池中的流速明显变小。V2截面进水池底部区域的流速为0.06～0.1 m/s，小于3台水泵的0.1～0.15 m/s，进水池上部区域的流速为0～0.06 m/s，明显小于3台水泵的0.1 m/s附近。V4截面的流速相较3台水泵的降幅也基本在0.05 m/s。从流态上看，2台水泵运行和3台水泵运行的情况基本相似，但由图12可得，2台泵运行时V1～V4 4个截面x方向和y方向速度标准差要小于3台泵运行时，说明2台泵运行时流态更为均匀。

图11 2台泵运行时A区域V2和V4截面速度矢量和速度云图Fig.11 Velocity vector and velocity nephogram of section V2 and V4 in area A when two pumps are running

图12 2台泵和3台泵A区域速度分量标准差对比图Fig.12 Comparison of standard deviation of velocity component in area A with two pumps and three pumps

图13中，B区域2个垂直截面2台泵运行与3台泵设计工况运行时相比，L形档板下方的流速降幅大约在0.1 m/s，且在主流区的右斜上方形成了较小的旋涡，但由A区域V2截面的速度矢量图图5(d)可知，旋涡随着水流很快消散。

图13 2台泵运行时B区域V2和V4截面速度矢量和速度云图Fig.13 Velocity vector and velocity nephogram of section V2 and V4 in area B when two pumps are running

由图10(b)、图10(d)、图14和图15可知，W区域2个垂直截面2台泵运行与3台水泵设计工况运行时相比，截面的流速分布均匀度有明显提高，且2台泵运行的速度分布均匀度和速度加权平均角度的值要高于3台泵运行，表明2台泵运行时流态更为均匀，进水方向也更良好。

图14 2台泵运行时W区域W2和W4截面速度矢量图Fig.14 Velocity vector of section W2 and W4 in area W when two pumps are running

图15 2台泵和3台泵W1～W4各区域参数统计Fig.15 Parameter statistics of W1 ～ W4 with two pumps and three pumps

将图16和3台水泵运行时的P2和P3截面速度矢量图图9作对比可得，2种工况下，第2台水泵运行时在其吸水口下方的P2截面都形成明显的顺时针旋转的旋涡。但2种工况下，P3和P2截面相比，不仅没有形成明显的旋涡，速度的最大值也小了很多，这可能与水泵下方流态的不对称分布有关。

图16 2台泵运行时水泵吸水口下方P2和P3截面速度矢量图Fig.16 Velocity vector of section P2 and P3 under the water intake of two pumps in operation

3 结 语

本文以孟加拉国达卡达舍尔甘地(Dasherkandi)泵站进水流道模型作为研究对象，该工程为新建排污泵站，进水前池较小，扩散段短，流态紊乱，经引水渠道和挡水板进入进水池，可能会由于设计和地形原因产生回流、涡流及斜流等流态不平顺等状态，利用PIV测试技术研究了进水池模型的进水流态，研究了护坡和消涡板对流态的影响。研究表明护坡和消涡板有效地改善了泵站前池和水泵吸入口的流态，并且研究了不同台数泵运行进水池内流态分布，为开机组合提供依据。