李 敏，范麗娟

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

火力發(fā)電中，循環(huán)水泵房進(jìn)水前池的水力性能是否穩(wěn)定對循環(huán)水泵的安全和高效運(yùn)行都至關(guān)重要，對循環(huán)水泵房的土建合理投資也有指導(dǎo)作用[1]。泵站設(shè)計規(guī)范[2]規(guī)定，泵站前池布置應(yīng)滿足水流順暢、流速均勻、池內(nèi)不得產(chǎn)生渦流的要求。如果進(jìn)水前池的形狀、尺寸設(shè)計不合理,容易在池內(nèi)形成不良流場。前池是泵站的進(jìn)水建筑物[3]，將引水管道中的來水均勻地分配給各流道；當(dāng)水輪機(jī)引用流量迅速改變時，前池的容積可起一定的調(diào)節(jié)作用，因此，引水管道與泵房進(jìn)水前池的銜接，應(yīng)盡量保證泵房進(jìn)水前池有良好的流態(tài)，保證水流能均勻平穩(wěn)地進(jìn)入吸水室，避免回流和渦流的產(chǎn)生。本文研究將通過物理模型對循環(huán)水泵房進(jìn)水前池進(jìn)行系統(tǒng)的水力特性試驗(yàn)研究，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析其水力性能，優(yōu)化原設(shè)計方案，提出合理的改進(jìn)措施，保證循環(huán)水泵的安全運(yùn)行。

本文按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計正態(tài)物理模型，針對工程布置的特點(diǎn)，即進(jìn)水前池與引水明渠呈直“T”形布置，研究該結(jié)構(gòu)下前池流場及流速分布情況。試驗(yàn)設(shè)計了循環(huán)水泵全部開啟的情況，通過對水流流態(tài)、典型斷面流速分布、水位的觀測，分析了各斷面橫向縱向水流的分布特點(diǎn)，同時研究其產(chǎn)生機(jī)理及影響。

2 研究方法

2.1 物理模型設(shè)計

本試驗(yàn)基于某實(shí)際工程設(shè)計模型，根據(jù)研究目的和要求，試驗(yàn)對前池流場進(jìn)行了主要探測，進(jìn)水前池結(jié)構(gòu)：長（沿水流方向）×寬＝30.0 m×26.8 m。自流引水管：采用鋼筋混凝土箱涵，單根截面凈空尺寸b×h＝3.5 m×3.5 m，設(shè)計流速為2.23 m/s，進(jìn)水前池與引水明渠呈直“T”形布置。

為保證模型試驗(yàn)的精度，試驗(yàn)采用正態(tài)模型，模型全部采用優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃加工制作，一般有機(jī)玻璃板的糙率在0.007～0.009之間，模型用優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃制作能滿足糙率相似要求，從而滿足阻力相似。幾何比尺Lr=10，模型試驗(yàn)占地面積約為32 m×8 m。

根據(jù)模型試驗(yàn)相似原理，要保證不同尺度（λL≠1）的兩個流體運(yùn)動的完全相似幾乎是不可能的，通常是根據(jù)原型流體運(yùn)動的特性，確定出主要影響的作用力，選擇合適的相似準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。一般情況下，泵房進(jìn)水流道水工模型試驗(yàn)是在幾何相似的前提下，依據(jù)Fr相似準(zhǔn)則設(shè)計和運(yùn)行模型，有條件地放松對雷諾數(shù)相似條件的要求。

本項(xiàng)試驗(yàn)綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)[4]，主要考慮以下相似條件：

重力相似（Fr數(shù)相似）

其流量和流速比尺分別為：

流速比尺：Vr=L0.5r=3.162

流量比尺：Qr=L2.5r=316.2

阻力相似：nr=L1/6r=1.46

2.2 測點(diǎn)布置

為了便于分析水流特性，在進(jìn)水前池內(nèi)設(shè)有3個測速斷面，每個斷面設(shè)5條垂線。每條測速垂線都從底部0.2 m起測，間距1 m布置測點(diǎn)（見圖1和圖2）。水面流場形態(tài)：采用直接觀察和拍照的方法。

圖1 流速測點(diǎn)垂向分布

圖2 流速測點(diǎn)橫向分布

2.3 試驗(yàn)器材

（1）流速：采用南京水利水電科學(xué)研究院研制的OA型旋漿式光纖流速傳感器、接專用采集系統(tǒng)測量。

（2）前池水位：使用水尺進(jìn)行測量。

（3）表面流態(tài)觀察：采用示蹤觀察，并拍照記錄，同時結(jié)合其他觀測結(jié)果一同分析。

2.4 試驗(yàn)組次

按照試驗(yàn)要求選取了一種典型的情況進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)循泵臺數(shù)及特點(diǎn)將試驗(yàn)單泵流量控制為5.87 m3/s，此時前池水深控制為60 cm左右，循泵5臺全部開啟。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 前池流速分布

進(jìn)水前池各測速斷面位置和編號見圖1和圖2。本試驗(yàn)采用南京水利水電科學(xué)研究院研制的OA型旋漿式光纖流速傳感器、接專用采集系統(tǒng)測量前池各測點(diǎn)流速。試驗(yàn)測得大量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析。圖3～圖6分別給出了5臺水泵運(yùn)行時，各斷面水流橫向流速分布和垂向流速分布情況。

圖3 進(jìn)水前池E-01斷面流速分布

圖4 進(jìn)水前池E-02斷面流速分布

圖5 進(jìn)水前池E-03斷面流速分布

圖6 循泵5臺運(yùn)行時進(jìn)水前池各斷面整體流速分布

3.2 分析現(xiàn)象產(chǎn)生原因及影響

（1）進(jìn)水口處水流在前池形成淹沒射流，水流沖擊力使流速大致呈正態(tài)分布，淹沒射流是流入相同介質(zhì)中的液體射流。淹沒射流與周圍靜止介質(zhì)發(fā)生動量和質(zhì)量交換，卷吸附近介質(zhì)隨射流一同流動，流量不斷增加，流速不斷減小和均化，橫斷面不斷擴(kuò)大。淹沒射流可分為兩個部分。保持射流出口流速V0不變的部分,稱為射流核心。因卷吸與摻混作用流速小于V0的部分，即射流核心與靜止液體之間的部分，稱為射流邊界層。沿射流方向從出口斷面至射流核心開始消失的所謂過渡斷面，稱為射流初始段；過渡斷面以后的部分，稱為射流主體段。出現(xiàn)這種流態(tài)對于泵站前池來說是一種不良流態(tài)，如果進(jìn)口處流速過大會產(chǎn)生水流沖擊，而沖擊波是一種不連續(xù)鋒在介質(zhì)中的傳播，這個鋒導(dǎo)致介質(zhì)的壓強(qiáng)、溫度、密度等物理性質(zhì)的跳躍式改變，顯然這種現(xiàn)象會導(dǎo)致5條流道前的閘門受水流壓力不均，前池進(jìn)水口結(jié)構(gòu)承載壓力過大、整個前池水體壓力分布不均等不利影響。

（2）流速分布不均前池邊壁處產(chǎn)生輕微回流，回流[4]產(chǎn)生原因是水流脫離邊界和摩擦力等引起的主流旁側(cè)的旋轉(zhuǎn)水流運(yùn)動，其兩側(cè)產(chǎn)生回流區(qū)的主要原因是進(jìn)水不對稱造成的。但由于回漩流的產(chǎn)生，可能會導(dǎo)致的不良影響有：產(chǎn)生死水區(qū)形成泥沙淤積，主流產(chǎn)生偏流進(jìn)而又惡化整個前池流場，前池水能能量分布不均，造成一定的水力損失，使泵站5臺泵不能均勻地入流，不利于水泵高效安全的運(yùn)行。由于邊壁處回流流速較大，可能導(dǎo)致?lián)綒獠焕谇俺亟Y(jié)構(gòu)的長久穩(wěn)定使用。

（3）流速垂向分布特點(diǎn)[5]則是由于在引渠與進(jìn)水池相接處，主流位于底部，故底部流速較大，而上層水流緩慢，有效地降低了下層流速，主流和周邊流速也沿程進(jìn)行能量交換和綜合使得水流經(jīng)過一段時間的運(yùn)行到達(dá)斷面E-03時，水流流速分布已較在斷面E-01和E-02處均勻，但最大流速仍然出現(xiàn)在前池中軸線上，兩側(cè)流速最小，流速分布還是不平穩(wěn)，前池結(jié)構(gòu)有待進(jìn)行優(yōu)化。且由垂向流速分布圖還可看出表層流速逐漸增大，底層流速有遞減趨勢，這也是前池流場能量分布不均造成的。

（4）5條流道閘門前的進(jìn)水流態(tài)好壞直接關(guān)系到流道內(nèi)的水流流態(tài)，若流速分布不均（見圖5），則不同的能量產(chǎn)生的能量差影響建筑物整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果長期處在這種不穩(wěn)定情況下對流道內(nèi)的其他建筑結(jié)構(gòu)也可能造成破壞性影響[6]。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

根據(jù)原設(shè)計方案試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本的要求，以對泵站建筑物結(jié)構(gòu)不作較大調(diào)整的原則，對取水泵站進(jìn)水建筑物的流態(tài)改善措施進(jìn)行了深入研究，前池進(jìn)水口結(jié)構(gòu)為正方形，且經(jīng)物理模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)不利于水流在前池寬度上的均勻擴(kuò)散，為均勻水流擴(kuò)散，建議將箱涵進(jìn)水口改為喇叭口擴(kuò)散結(jié)構(gòu)或八字漸變型結(jié)構(gòu)[7]～[8]已達(dá)到分散水流的作用，保證前池流態(tài)均勻穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）物理模型試驗(yàn)是分析水工建筑物內(nèi)部流速分布情況的一種較直觀方便的方法。

（2）進(jìn)水口與前池成T型結(jié)構(gòu)布置的建筑物，前池流速分布特點(diǎn)為：從箱涵出口進(jìn)入進(jìn)水前池的水流，其流速分布具有典型的淹沒射流性質(zhì)，在橫向上約為正態(tài)分布，并隨著流程的增加而逐漸坦化。射流卷吸周圍流體，使兩側(cè)存在不同程度的回流。當(dāng)5臺泵同時運(yùn)行時，引水流量大，前池水位低，在中間斷面靠近邊墻的兩側(cè)存在較大的反向流速。垂向上流速分布體現(xiàn)下部高，上部低的性質(zhì)，同時隨著流程的增加，也有均勻化的趨勢。當(dāng)水流到達(dá)E-03斷面時（距離流道進(jìn)口2.5 m處），其流速分布已較在E-01和E-02斷面處均勻。

（3）前池淹沒射流的特點(diǎn)為沿程斷面流速不斷減小和均化，橫斷面不斷擴(kuò)大?；亓鳟a(chǎn)生的原因是進(jìn)水流速不對稱，使前池流場分布不均勻，水流脫離邊界和摩擦力等引起的主流旁側(cè)的旋轉(zhuǎn)水流運(yùn)動。這種不良流態(tài)會導(dǎo)致前池產(chǎn)生回流區(qū)或是靜水區(qū)，極易形成泥沙淤積。

（4）進(jìn)水前池與引水明渠呈直“T”形結(jié)構(gòu)布置的前池建筑物，可將箱涵進(jìn)水口改為喇叭口擴(kuò)散結(jié)構(gòu)或內(nèi)部加設(shè)八字漸變型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流墻。

[1]徐輝，段志強(qiáng)，于永海等.泵站有壓前池流態(tài)改善措施的研究[J].排灌機(jī)械，2003，21（4）:13-16.

[2]泵站設(shè)計規(guī)范，2010.

[3]水電站引水渠道及前池設(shè)計規(guī)范[SL T205-97].

[4]邱靜，杜涓，黃本勝等.臺山發(fā)電廠一期工程循環(huán)水泵進(jìn)水流道水力性能試驗(yàn)研究[J].廣東水利水電，2002，（2）:14-17.

[5]張振偉,鄒志利.沿岸流流速垂向分布的實(shí)驗(yàn)研究[J].海洋通報，2009，28（2）:1-9.

[6]練偉航，馬治安，張廣傳等.電廠機(jī)組泵房側(cè)向進(jìn)水前池流態(tài)水力試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2007，（6）:115-117，119（4）.

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