不同进水流速对泵站进水池漩涡的影响

高传昌，高余鑫，李晓超

(华北水利水电大学，郑州 450045)

泵站进水池的形式和尺寸如果不合理，不仅在水泵或进水管周围产生环流，而且容易在自由水面产生进气漩涡，水下也容易产生附壁漩涡。这些环流和漩涡不仅要消耗能量，更严重的是，当空气或涡带进入水泵后，水泵性能变坏，效率降低，甚至会引起水泵汽蚀，机组发生强烈振动而无法工作[1]。

迄今为止，国内外学者就引起进水池漩涡的因素做了大量研究：郭苗[2]基于LBM数值模拟和试验结果研究了后壁距、临界淹没水深、水中空气含量对进水池流态的影响，并模拟出了进水池内部的漩涡结构及演化过程；宋希杰[3]采用V3V测量技术和VOF方法研究了进水池内的漩涡流动，分析了附底漩涡演化过程中的动力学特性，提出新的消涡抑涡措施；张德胜等[4]采用大涡模拟和VOF方法探讨了泵站进水池表面涡和底涡的形成和演化的基本机制，并通过PIV试验进行验证；吴鹏飞[5]基于数值模拟和模型试验的方法，研究表面吸气涡动态过程和特性，揭示了表面吸气涡形成及其抑制机理；文献[6-16]分别采用V3V技术、PIV技术、数值模拟方法研究了自由表面漩涡的流场结构，得到自由表面漩涡的变化规律；文献[17-23]通过理论分析、数值计算、模型试验方法研究了进水口淹没深度对漩涡的影响，得到漩涡强度与淹没深度的关系。这些研究主要关注漩涡流场结构的测量、进水口淹没深度、漩涡形成机理、进水池的体型优化等方面，而对于进水流速对表面漩涡的影响研究甚少。

以黄河下游田山引黄一级泵站为研究对象，采用数值模拟和试验研究相结合的方法，就不同进水流速对泵站进水表面漩涡的影响进行研究。表面漩涡判别采用美国Alden实验室的6型漩涡分类，即：Ⅰ型涡为表面涡纹；Ⅱ型涡为表面漩涡；Ⅲ型涡为染色漩涡；Ⅳ型涡为挟物漩涡；Ⅴ型涡为间断吸气漩涡；Ⅵ型涡为连续吸气漩涡[24]。由于Ⅰ型和Ⅱ型漩涡对水泵性能影响甚微，工程上允许存在，因此本文仅对Ⅲ型以上漩涡进行判别。

1 田山一级泵站概况及存在问题

1.1 泵站概况

图1 泵站进水建筑物布置及特征截面

1.2 存在问题

小浪底水库多次调水调沙后，黄河下游主河槽河底高程大幅降低，黄河水位的显著下降使得田山一级泵站的引水水位低于最低水位(33.70 m)，进水管口的淹没深度降低，水泵在超低水位下运行，引起进水池流态恶化和空化条件的改变，导致进水喇叭管和水泵叶轮汽蚀严重、机组振动和水泵性能下降等一系列问题，甚至迫使机组停机。检查发现，水泵的叶轮与叶片上均出现了汽蚀现象，气蚀部位表面出现蜂窝状凹坑，见图2。

图2 叶轮和叶片汽蚀情况

2 数值计算模型和计算方案

2.1 数值计算模型

采用NX UG 10.0软件建立由引渠、前池、进水池、进水池隔墩、喇叭管和进水管构成的数值计算物理模型，模型比尺1∶10，泵站计算物理模型见图3。

图3 模型

2.2 网格划分及无关性分析

计算区域分为引渠、前池、左侧进水池、右侧进水池、左侧进水管和右侧进水管6部分，采用Fluent Meshing将模型剖分为适应性更好的混合网格(边界为多面体网格，内部为六面体网格)，其中,网格最小尺寸为3，最大尺寸为6，边界层为10层，增长率为1.1。由于SSTk-ω湍流模型避免了构造复杂的非线性壁面衰减函数，降低了对近壁区网格y+的要求，可较好地预测带有逆压梯度的边界层分离问题[25]，因此，计算过程中近壁区网格自动满足SSTk-ω模型要求。无关性分析后确定网格数量为390.7万个，其中：引渠部分28.3万个，前池163.8万个，左、右侧进水池和进水管分别为90.3万、89.5万、9.4万和9.4万个，见图4。

图4 模型网格数目无关性分析

水力损失选择进口断面为引渠进口,出口断面为进水管出口进行计算，见图3和式(1)。

(1)

2.3 模型及边界条件

计算采用非定常的SSTk-ω湍流模型和VOF模型、SIMPLE算法，离散方法为有限体积法，动量、湍动能和湍流耗散率均采用二阶迎风格式。引渠进口为速度进口边界条件，进水管出口为速度出口，出口1(空气域上部)为压力出口(其大小为1个标准大气压)，壁面为无滑移壁面。

2.4 数值计算方案

为了研究田山一级泵站不同进水流速进水表面漩涡特性，选择9种流速工况进行数值模拟，计算模型进出口速度值见表1。

如表1所示，观察组56例患者中，25例治疗后基本痊愈，占比44.64%，16例治疗后显著有效，占比28.57%，8例治疗后有效；占比14.29%，总有效率达到87.50%；对照组的56例患者中，18例治疗后基本痊愈，占比32.14%，12例治疗后显著有效，占比21.43%，10例治疗后有效，占比17.86%，总有效率达到71.43%。两组总有效率之间比较有显著性差异有统计学意义（P＜0.05）。

表1 原模型流速对照

2.5 特征截面的选取

选择右侧进水池的1-1截面(自由水面)、2-2截面(喇叭管进口水平面)、3-3截面(喇叭管进口中心纵截面)、4-4截面(进水池右部中间纵截面)、5-5截面(进水池右部边壁纵截面)和6-6截面(喇叭管进口后部边缘横截面)为特征截面，见图1。对特征截面进行流态和涡量分析。

3 数值计算结果分析

3.1 特征截面流态分析

3.1.1进水池水平剖面流态分析

图5为进水池自由水面(1-1截面)和喇叭管进口水平面(2-2截面)的流线和流速分布。在不同进水流速v时，1-1截面的流速分布呈现出内部大于边壁，2-2截面的流速分布为喇叭管进口附近最大且后墙与喇叭管进口间流速变化梯度明显。流线分布均表现为进水池前部平顺、后部紊乱，漩涡均在喇叭管与后墙间的区域，2个截面产生的漩涡数量分别为4～5和3～4个，且随着进水流速的减小漩涡数量减少、强度降低。

图5 在不同进水流速时进水池水平截面流速和流线分布

3.1.2进水池纵剖面流态分析

图6为进水池喇叭管进口中心纵截面(3-3截面)、进水池右部中间纵截面(4-4截面)、进水池右部边壁纵截面(5-5截面)的流线和流速分布。3-3截面的高流速区域位于喇叭管进口附近，随着进水流速的增加区域增大，流线从前后部向喇叭管进口集中。4-4截面在喇叭管进口高度附近及前部形成高流速区域，流线起始于前部聚集于进水喇叭管口高度附近，在底壁和后墙夹角处形成水中漩涡。5-5截面的高流速区域位于喇叭管进口高度附近的后墙和喇叭管之间区域，受边壁效应影响，流线分布比较紊乱，在底壁、右侧边壁和后壁的夹角处形成1个附壁涡。随着进水流速增大，4-4和5-5截面漩涡产生位置不变，水中漩涡强度变化。

图6 在不同进水流速时进水池纵截面流速和流线分布

3.1.3进水池横剖面流态分析

图7为进水池喇叭管进口后部边缘横截面(6-6截面)的流线和流速分布。该截面的高流速区域位于喇叭管进口高度附近，且随着进水流速的增加区域增大，流线分布紊乱；在喇叭管口下方、侧底壁夹角及底壁产生2～3个附底涡和附壁涡，漩涡的位置变化不大，但水中漩涡强度随着进水流速增大有所增强。

图7 在不同进水流速时进水池横截面流速和流线分布

3.2 漩涡及涡量分布

3.2.1漩涡分布

在不同进水流速(v)下进水池和进水管形成的漩涡见图8，漩涡分布采用Q准则进行体现。由图8可知：进水流速在0.101 9～0.127 0 m/s时，水面产生波动，形成的气泡浸入水体较深且间歇性地进入喇叭管口，形成Ⅲ、Ⅳ型涡；流速在0.152 9 m/s时，水面波动明显，形成的气柱浸入水体的深度达到喇叭管口附近，气柱间歇性地进入喇叭管口，形成Ⅴ型涡；流速在0.164 7～0.178 4 m/s时，水面波动剧烈，形成的气体连续地进入喇叭管口，形成Ⅵ型涡。可见，进水池形成的表面漩涡强度随着进水流速增加逐渐增强。

图8 在不同进水流速时表面漩涡分布

3.2.2涡量分布

图9为喇叭管进口水平面(3-3截面)涡量分布图。在涡量为-30～40 s-2，不同进水流速下，截面最大涡量值均位于进水管与后部边壁之间，随着流速增大，涡量值最大区域更加明显、数量增多或集中，漩涡强度不断增大。

图9 在不同进水流速时喇叭管进口水平面涡量

3.3 进水流速与漩涡类型关系

对9种流速泵站模型进水池表面漩涡特性进行分析，得到进水池表面漩涡类型与进水流速的关系为：模型进水流速在0.101 9～0.127 0 m/s (原型进水流速0.322 5～0.401 6 m/s)时，漩涡类型为Ⅲ、Ⅳ型涡；模型进水流速在0.152 9 m/s(原型进水流速0.483 5 m/s)时，漩涡类型为Ⅴ型涡；模型进水流速在0.164 7～0.178 4 m/s(原型进水流速0.520 8～0.564 2 m/s)时，漩涡类型为Ⅵ型涡。

4 试验验证

4.1 模型试验与方法

通过模型试验方法对田山一级泵站进水物理模型数值模拟结果进行验证，试验研究为不带泵的研究。田山一级泵站进水池中水流主要受重力支配，试验按重力相似准则进行，模型比尺为1∶10。试验系统包括：引渠、前池、进水池、进水管、模拟黄河水位水池、循环水池、连接管路、真空泵及离心泵，见图10。试验中采用的测量仪器见表2。

图10 模型试验系统

表2 测量仪器参数

4.2 不同流速的试验研究

试验采用3台高性能DV同时进行多角度拍摄和录像，不同进水流速的模型进水漩涡流态见图11。由图11可知，不仅产生了表面漩涡，还产生了水中涡(附底涡和附壁涡)：进水流速为0.101 9 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现强度时大时小的Ⅲ、Ⅳ型涡现象；流速为0.108 8 m/s时，出现2个对称的Ⅳ型涡或Ⅴ型涡；流速为0.109 8 m/s时，长时间出现Ⅲ、Ⅳ型涡现象；流速为0.117 2 m/s时，出现1个显著的Ⅳ型涡或Ⅴ型涡；流速为0.118 9 m/s时，出现1个更显著的Ⅳ型涡，偶尔出现Ⅴ型涡；流速为0.127 0 m/s时，出现1个更显著的Ⅳ型涡或Ⅴ型涡；流速为0.152 9 m/s时，出现Ⅲ、Ⅳ型涡和Ⅵ型涡；流速为0.164 7 m/s时，出现2个Ⅵ型涡；流速为0.178 4 m/s时，长时间出现Ⅵ型涡。

图11 在不同进水流速时的模型进水漩涡流态

4.3 试验与模拟结果的对照

试验研究中漩涡类型与数值模拟结果的对照见表3。由表3可知，试验研究结果很好地验证了数值模拟结果，在不同进水流速时进水池产生的漩涡类型不同。对泵站工程来说，允许Ⅰ、Ⅱ型漩涡存在，避免产生Ⅲ、Ⅳ型漩涡，不允许存在Ⅴ型及以上漩涡，因此要保证进水流态良好，进水流速值不应大于0.322 2 m/s。

表3 试验研究与数值模拟漩涡类型对照

5 结 论

对田山一级泵站9种进水流速的表面漩涡特性进行数值模拟和试验研究，得出如下结论：

泵站进水水深不变，进水流速为0.322 2～0.564 2 m/s时，泵站表面漩涡的强度随进水流速的增大而增强。流速在0.322 2～0.401 6 m/s时，出现表面下凹的Ⅲ、Ⅳ型漩涡；流速在0.483 5 m/s时，出现表面下凹较深的间断进气Ⅴ型漩涡；进水流速在0.520 8～0.564 2 m/s时，出现漩涡中心为贯通的连续进气的Ⅵ型涡。

保证泵站开敞式进水池进水流态良好，进水流速不应大于0.322 2 m/s。

研究还表明，进水池不仅产生了表面漩涡还产生了水中漩涡，水中漩涡产生的类型、强度、机理与进水流速的关系，需要进一步深入研究。