不同开机组合下泵站前池与进水池中的水流流动特性

王 慧，罗晓旭

（1.江苏省泗阳闸站管理所，江苏 宿迁 223700；2.江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800）

1 概 述

离心式水泵站已朝着标准化、系列化、高功率化的方向发展。前池与进水池在泵站中一般设置在引渠与水泵机组之间，其作用是把引渠和进水池合理地衔接起来，使水流平稳且均匀地流人进水池，为水泵提供良好的吸水条件。但由于一些大型泵站的机组较多，拥有多个水池，在进行开机组合时，容易产生泵站前池、后池出现不稳定水流流动的情况，如漩涡、横流等，进而造成了不同机组之间存在不均匀的入流，会让水泵内部流场产生一定的变化，对水泵正常运行产生一定的影响［1］。因此，对大型泵站的不同开机组合下泵站前池与进水池中的水流流动特性进行分析，能够了解不均匀入流的规律，进而能够对大型泵站的安全、稳定运行提供有利的支持［2］。

本研究通过构建泵站前池与进水池的三维模型，分析不同开机并联运行方案中前池与进水池的水流特性，计算出不同开机并联运行方案对水泵前池与进水池的水流流态的影响。

2 泵站前池与进水池三维模型

2.1 立式离心式水泵泵站模型

在构建泵站前池与进水池三维模型中，考虑到在泵站中水流的流动与热传导、水与空气的压缩性无关，所以构建了质量与动量守恒的方程。在此基础上，进一步构建立式离心式水泵泵站模型，模型主要由前池、进水池、4台离心泵、引渠构建而成，模型中的前池与进水池均为正向的出水与进水。4台机从右至左的编号分别为1、2、3、4（如图1）。本研究采用吸入管倾斜取水的方式，平均水位为2.06 m，水泵转数为1 200 r/min，运行流量范围为0.2224~0.2589 m3/s，最佳流量为0.2460 m3/s 时所对应的吸入管进口至蜗壳出口的扬程为36.1 m［3］。

图1 泵站平面

2.2 泵站前池与进水池计算模型

泵站前池与进水池计算模型主要涵盖了引渠、前池、进水池、水泵机吸入管等内容，在参数确定后，运用UGNX 软件构建泵站前池与进水池计算模型，如图2所示。

图2 泵站前池与进水池计算模型

在构建模型后，需要进行相应的网格划分，为了更好地控制网格数量，将模型分为3个计算域，并运用ANSYS ICEM 软件，所有的网格均为结构化网格。选取进出口的水力损失与进水池中的水深平均高度作为网格无关性的评判参数，划分了6 套网格方案（表1），对网格无关性、数值计算收敛性进行比较分析。

表1 前池、进水池模型的网格方案

此外，在对网格无关性、数值计算收敛性进行比较分析时，由前池及进水池模网格无关性验证结果（表2）可知，随着网格节点数量的增加，网格收敛指数逐步减少，说明研究中数值求解结果精度得到不断提升。同时，通过表2 可以看到节点逐步接近方案5 的节点数时，水力损失增幅约为0.3%，同时进水池的平均高度误差在2.5%左右，进而综合考虑收敛性精度、水力损失幅度、进水池的平均高度误差情况，选取方案5作为数值的计算方案［4］。

表2 前池及进水池模网格无关性验证

2.3 边界条件

在边界条件设置中，主要采用ANSYS CFX软件进行计算，并采用均相流模型进行气液模拟，在计算域内流体流动考虑重力的影响时，其边界条件如表3所示。

表3 边界条件设置

3 开机组合方案的确定

3.1 开机组合筛选

在开机组合实施时，本次研究设计了4 台水泵机组，运用正交实验的方法，确定本次研究组合方案，分析不同开机组合方案进水池与前池的水流流态变化情况。经过正交实验后，其开机组合的方案如表4 所示，可知当前方案1 中的机组开机数量最多，为4台全部开启，其次为方案2中开启3台。

表4 开机组合方案

3.2 开机组合前池与进水池流态

3.2.1 前池与进水池流态分析公式

根据不同开机组合情况，进行前池与进水池的流态分析，在分析中运用流速最大值不均匀系数来表示各个特征断面水流流速的最大值偏离平均流速的程度［5］，计算式为

式中：Svmax为流速最大值不均匀系数；Vmax为断面水流流速的最大值为断面水流流速的平均值。

断面水流流速的平均值计算式为

式中：m为水的质量流量；V为水流的流速。

3.2.2 前池与进水池流态分析

（1）开机方案1

开机方案1中是将4台机器全面启动，启动后，引渠进入泵站后，前池的水流会逐步扩散开来，流速会迅速降低，前池范围内水流流速的非均匀系数为2.67，这时前池水流流速加快，形成较大的漩涡。另外，非均匀系数为2.55 时，其截面中会形成每个进水池的单独漩涡。

（2）开机方案2

开机方案2 中是将编号1、2、3 的机组全部打开，将编号为4的机组关闭，分析其前池与进水池流态的情况。经过分析可知，由于编号为4 的台机关闭，其水流流向4台机后，又转流向3台机，导致3台机的水流流速明显增加，4台机处形成小漩涡［6］。

（3）其余开机方案

在开机方案3中，1、4台机启动，2、3不启动，当靠近0.22 m、1.0 m特征截面时差别较大。靠近0.22 m水流逐步扩散均匀，靠近1.0 m特征截面时，由于2、3 台机未启动，进而在2、3 处形成了相应的回流漩涡，同时不断涌入1、4台机中，导致1、4台机的流速较高。在开机方案4 中，1、3 台机关闭，2、4 台机开启，当靠近0.22 m时，前池中的水会不断地流入1 台机对应的进水池中，形成相应的漩涡，靠近1.0 m时水流会在进水池中进一步形成相应的漩涡。在开机方案5中，1、2台机关闭，3、4台机开启，导致1、2 台机的前池水流流速不均匀，其主流存在一定的偏向，靠近0.22 m 时前池的主流流态无明显变化，但1、2台将单独形成漩涡，但靠近1.0 m时则会在2、3 台机对应的前水池形成明显的流速较高漩涡，同时2、3 台机会形成相应的横流。在开机方案6 中，只开1台机，2、3、4台机关闭，其特征截面上水流流速的非均匀程度较为严重，主流水进入到前池时，会产生扩散不充分的情况，前池边壁容易出现漩涡，同时在靠近0.22 m与1.0 m时，会产生主流存在较大偏转、紊乱的情况［7］。

4 吸入管进口的流动情况

4.1 吸入管进口流动分析公式

在分析不同开机组合下吸入管进口的流动情况时，从流速、轴向速度、圆周速度3 个方面进行分析，计算式为

式中：Vu为圆周速度；Vy、Vz分别为沿着y、z轴方向的水流流速；θ为以吸入管进口为原点极坐标的角度。

圆周速度的差值计算式为

式中：ΔVu为机组全部开启时，各个吸入管的进口圆周速度为其他机组方案实施时，各个吸入管的进口圆周速度。

4.2 水泵吸入管进口流场分析

当进行开机方案1 时，4 台机全部开启，这时前池与进水池的水流流速呈现较为明显的对称，同时沿着x、y轴的水流、轴向、圆周速度为对称分布。在对后续其他开机顺序进行分析时，以开机方案1 为基准，进行吸入管进口圆周速度的差值比较与分析。经过分析得知，在启动1 台、同时启动2 台或3 台时，其吸入管进口圆周速度的差值是不同的。经过圆周速度的差值计算可知，方案2、方案5 对吸入管的进口预旋的影响较大，方案3、方案4 以及单独启动1台机的方案对吸入管的进口预旋的影响较小［8］。

5 前池与进水池的瞬间流动特征

5.1 开启4台机组

开启4 台机为开机组合方案1 的方法，在开启4 台机时，当接近1.0 cm时，其流速与流线的分布会形成不同程度的漩涡。当时间达到20 s 时，会在左侧产生局部漩涡，在中心形成中心漩涡；当时间达到40 s时，左侧的局部漩涡逐步转化为壁面脱流；当时间达到60 s时，中间的漩涡会消失，并在右侧形成壁面脱流；当时间达到80 s时，左侧与右侧的壁面脱流会分别形成附壁漩涡；当速度达到100 s 时，两侧的附壁漩涡会迅速增大。

另外，水泵吸入管的流速是不均匀的，其数值会随着时间的改变而变化。在同时开启4 台机时，通过开启4台机吸入管进口速度最大值不均匀系数变化（表5）可知，Svmax的数值变化较小。2 台机与3 台机的的数值略小于1台机与4台机，这主要是受到组合方案1 中心漩涡的影响，其主水流会逐步涌入到1 台机与4 台机对应的水池中，形成两侧的附壁漩涡，附壁漩涡的形成对吸入管进口流动产生一定的影响。

表5 开启4台机吸入管进口速度最大值不均匀系数

5.2 开启3台机组

开启3 台机组主要为开机组合方案2 的方法，1、2、3 台机开启，4 台机关闭，在这种情况下会形成侧面主流集中的方式，进而让4 台机对应的进水池形成相对独立的漩涡，流速较为稳定。当接近1.0 m时，其流动的情况仍然呈现复杂的情况。当时间达到20 s时，前池侧壁的附壁漩涡在前池的中间位置，同时出现了大范围的回流，并存在扩散不充分的情况。时间达到40 s时，附壁漩涡逐步形成局部漩涡，其漩涡的范围不断扩大，同时在漩涡影响下，主流的偏转角度不断减少。

另外，在开启3 台机时，1 台机的流速最大值不均匀系数随着时间波动出现小幅变化（表6），但2台机与3 台机会出现较大幅度的波动，特别是3 台机会形成相应的横流，进而对吸入管进口速度产生一定的干扰。由此可知，吸入管的进口速度与前池的流态具有较大的关联。

表6 开启3台机吸入管进口速度最大值不均匀系数

5.3 开启2台机组

开启2 台机的方案分别是方案3、方案4、方案5，方案3与方案4属于组合的开机方式，方案5为一侧的开机方式。

在进行方案3时，当时间为20 s时，出现了大范围的反向回流及扩散不充分的情况，对主流流速产生一定的影响。时间为40 s时，出现了局部的漩涡，同时在40 s 后，局部漩涡对主流水流的挤压逐步减弱，其漩涡的位置也逐步向引渠的位置进行偏移。由以上分析可知，在开启3台机时，由于受到大范围回流的影响，主流流入前池时，其左侧的流向会发生偏离，4台机的水流会流入3台机进水池，并会回流起到一定的补充作用［9］。

在方案3 中，2 台机、4 台机的流速最大值不均匀系数相对1台机而言，其变化波动情况较大（表7），这主要是受到局部漩涡的影响。

表7 方案3吸入管进口速度最大值不均匀系数

方案4 相比方案3 而言，在20 s 时，其主流会在前池形成相应的局部漩涡与独立回流的情况，进而在前池的作用下导致进入水池的流速出现不均匀的情况。在20 s之后，前池的漩涡会逐步变小，但仍然会对单独形成的回流带来一定的扰动。在流速最大值不均匀系数（表8）方面，其4台组的不均匀系数大于2 台组，这说明虽然主流进入到了4 台组对应的进水池，但未能提供良好入流条件。

方案5 在20 s 时，前池右侧壁面的局部漩涡范围较小，其主流偏转角度也较小，同时出现了横流与回流的现象。在40 s 时横流逐步消失，在60 s 时局部漩涡逐渐变小，使得进入水池的水流更加平稳。在方案5 中，开启4 台机组相比3 台机组而言，具有较好的稳定性，说明一侧开启台机的方式会受到横流影响，并且比较显著。方案5 吸入管进口速度最大值不均匀系数见表9。

表9 方案5吸入管进口速度最大值不均匀系数

5.4 开启1台机组

开启1 台机主要涵盖了方案6、方案7、方案8，在方案6开启时，其进水池的水流较为平稳，随时间变化的情况较小。但在20 s 时会形成附壁漩涡、局部漩涡，在一定程度上影响主流的汇集。在20 s后，进水池与前池未发生明显变化，同时前池中产生的附壁漩涡会互相干扰，并逐步向下游移动［10］。

在方案7中，20 s时会形成较大范围的漩涡，影响正常的水流流出，但在40 s后，较大的漩涡逐步向右侧移动，进而流入到进水池中。

在方案8 中，20 s 时与方案7 一样，会形成较大范围的漩涡，同时出现相应的回流现象，20 s后漩涡逐步变小并脱落，向下游移动。另外，也会形成相应的独立小漩涡，并对主流产生一定的挤压。

通过方案6、方案7、方案8 吸入管进口速度最大值不均匀系数（表10）可知，吸入管进口速度最大值不均匀系数较为稳定，但方案6 相比其他2 个方案的系数起伏略大，所以只开启1台机时，方案7、方案8相比方案6更加适合。

表10 方案6、7、8吸入管进口速度最大值不均匀系数

6 结 语

本文针对不同开机组合下泵站前池与进水池中的水流流动特性进行了研究，先进行前池与进水池计算模型的构建，再进行相应的网格划分与无关性的参数评判，并进行相应验证。针对模型边界条件的设置，共设计了8 中开机组合方案，并按照组合方案进行了前池与进水池中的水流流动特性的分析。

（1）在不同的开机组合下，开4台机、3台机、2台机的吸入管进口中心所在特征截面上，前池中的水流流动比较平稳，但靠近水面特征截面上水流流态的情况较差，同时主流在流入前池前与前池后，均会发生较大的偏移情况。

（2）在不同的开机组合下，启动1 台机时，会产生主流流水扩散不充分的情况，也会产生相应的漩涡与附壁涡，但开启不同数量机组时，其水流流态、漩涡、附壁涡会随着时间的变化产生明显的差异。

（3）不同的开机组合都会对吸入管进口的预旋会产生一定的影响，但组合开机与单台开机相比其他组别，对吸入管进口的预旋产生的影响较小。

（4）在不同的开机组合下，吸入管进口速度的分布呈现不均匀的情况，同时能够随着时间的变化而移动，尤其是一侧开机组的流速较为明显，这主要是由于受到横流与漩涡的影响。