消涡装置对泵站进水流道流场分布的影响分析

王其同，张 林，孙延宁

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

箱涵式进水流道在不加任何消涡措施下由于进水沿程流速突变导致附底涡产生，从而影响水泵喇叭管口及水泵进口的流速分布，易导致水泵振动，严重时水泵被迫停机。文章以东湖水库入库泵站进水流道的消涡装置为研究对象，对无消涡措施方案、“L”形导流板方案、“十”字形导流板方案、导流锥结合后隔板方案4种方案进行稳态模拟，分析当水流流动趋于稳定时的流场分布，观察消涡装置对附底涡和附壁涡的影响，为泵房优化设计及安全运行提供依据。

1 进水流道设计方案

1.1 基本情况

东湖水库是南水北调东线胶东输水干线上的重要调蓄水库，采用泵站提水充库，涵闸控制出库的运行方式。泵站进水流道常采用有压箱涵式进水流道。入库泵站安装4台水泵机组，其中1400HLB-9.5型立式混流泵（大机组）2台，单机流量6.4 m3/s，功率900 kW；900HLB-12.5型立式混流泵（小机组）2台，单机流量2.6 m3/s，功率450 kW。喇叭管口直径D=1.75 m，喇叭管口悬空高度1.4 m，后壁距2.0 m，侧壁距2.425 m。

1.2 设计方案

入库泵站箱涵式进水流道喇叭管口下不含任何消涡措施，如图1（a）所示；为消除无消涡措施方案中进水喇叭口附近的附底涡和附壁涡，在喇叭口正下方底板上设置“L”形导流板，称之为”L”形导流板方案，如图1（b）所示；为简化施工流程和降低施工难度，拟在“L”形导流板的基础上再添加一块导流板，垂直于“L”形导流板形成十字形导流板，十字形导流板的中心在喇叭口中心的正下方，垂直向导流板的长度为喇叭口直径的0.3倍，形成十字形导流板方案，如图1（c）所示；将“L”形导流板的顺水流方向的纵向板进行拆除，并在喇叭口正下方的底板上设置导流锥以防止附底涡和附壁涡，导流锥结合后隔板（保留“L”形导流板立于进水流道后墙上的导流板）达到消涡的效果，导流锥为直线圆锥的方案称之为导流锥结合后隔板方案，如图1（d）所示。

图1 进水流道方案设计示意图

2 数值模拟计算方法

2.1 进水流道结构模型及网格剖分

东湖水库入库泵站流体域包括进水流道、进水管及消涡装置（“L”形导流板、十字形导流板和导流锥），为保证计算精度，运用ANSYS-ICEM对流体区域进行六面体结构化网格划分，同时对过流部件壁面进行边界层网格划分及局部加密。

2.2 边界条件

在进行CFD求解时，除了考虑求解方法还需要考虑边界条件的合理性。进口边界条件采用速度进口，即给定流动进口处的速度大小和方向；为使进水口处的流速分布符合实际，在模拟时将进水流道沿进水反方向进行延伸。出口边界条件采用自由出流。自由表面采用“刚盖”假定的边界条件。固壁边界条件采用壁面函数法的壁面边界进行处理。

3 结果分析

3.1 底部流场分析

分别以进水流道中距离底板5 cm断面和喇叭口正下方5 cm断面的速度流线矢量图观测喇叭口附近的水流状态，此处分3种情况来讨论。1）当底板处有旋涡而喇叭口附近无旋涡时，此时的旋涡属于潜在的不良流场，当流场发生突变时，底板上的旋涡极有可能发展成有害的喇叭口吸入涡；2）当底板处有旋涡喇叭口附近也有旋涡时，此时的旋涡可以认定为附底涡，属于有害的旋涡，需要进一步优化流场；3）当底板处无旋涡而喇叭口附近有旋涡时，如果旋涡不与喇叭口连通，可以判断这是一种无害旋流，不会引起水泵振动。从模拟结果看出，只有导流锥结合后隔板方案的底部无旋涡，流态较好，其余3个方案均存在不同程度的涡流。无消涡措施方案中喇叭口从侧面将水流吸入，喇叭口下方存在明显的涡流；“L”形导流板方案中喇叭口下方同样存在明显的涡流，另外喇叭口两侧靠近边壁处存在两个明显的旋涡；“十”字形导流板方案中喇叭口处的涡流同样明显；导流锥结合后隔板方案中流场改善显著，喇叭口入口处的水流，部分从正前方直接吸入，部分绕过喇叭口从正后方吸入，正前方水流和正后方水流相遇形成旋流，可知此流场非有害旋流。

3.2 边壁流场分析

分析4种方案下喇叭口右侧距离外壁5 cm断面和喇叭口左侧距离外壁5 cm断面处的速度流线矢量图，可以看出4种方案均存在回流，无消涡措施方案和“十”字形导流板方案的回流为一个大回流和一个小回流相互作用；导流锥结合后隔板方案和“L”形导流板方案的流场分布非常相似，都只有一个大范围的回流，这是由于部分未被喇叭口吸入的水流在进水流道后侧形成回流。

3.3 后壁流场分析

分析4种方案下喇叭口后侧距离外壁5 cm处断面速度流线矢量图，可以看出4种方案的流场均存在回流，无消涡措施方案和“十”字形导流板方案流态较为复杂，多个回流并存；“L”形导流板方案和导流锥结合后隔板方案中由于水泵的吸力和后壁隔板的作用使得水流形成旋流，其范围较大、流速较小。

4 结论

1）综合进水流道喇叭口底部流态分析、边侧流态分析及后侧流态分析可以看出，导流锥结合后隔板方案的消除附底涡及附壁涡的效果最明显，但对进水流道后壁处的回流没有太大改善。

2）导流锥结合后隔板方案中流场改善显著，喇叭口入口处的水流，部分从正前方直接吸入，部分绕过喇叭口从正后方吸入，正前方水流和正后方水流相遇形成旋流，流场非有害旋流。

3）无消涡措施方案和“十”字形导流板方案流态较为复杂，多个回流并存；“L”形导流板方案和导流锥结合后隔板方案中由于水泵的吸力和后壁隔板的作用使得水流形成旋流，其范围较大、流速较小。