李存?zhèn)}，崔耀武

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001)

各種壓力進(jìn)水口前極易產(chǎn)生漩渦，如泵站進(jìn)水口、倒虹輸水管道進(jìn)口、水電站進(jìn)水口等。漩渦的存在特別是吸氣漩渦，對工程的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生危害，且漩渦的運動規(guī)律很復(fù)雜，自由表面漩渦可分為吸氣漩渦和不吸氣漩渦兩大類。按其發(fā)展過程可具體分為表面漩絲、表面漩渦、純水漩渦、挾物漩渦、間歇吸氣漩渦、貫通吸氣漩渦等。表面漩絲、漩渦(如圖1(a)所示)表現(xiàn)為水面輕微凹陷，基本不吸氣，對進(jìn)水管道及機(jī)組沒有危害；間歇吸氣漩渦(如圖1(b)所示)水面下凹較深，形成帶有尾部的漩渦，間歇性成串氣泡帶入，對機(jī)組有一定的危害性影響，應(yīng)盡力消除；貫通式漩渦(如圖1(c)所示)為貫通連續(xù)的空氣通道，尾部經(jīng)常吸氣，形成挾氣渦流帶甚至氣囊，進(jìn)水口后積聚的氣囊對流動具有阻滯作用，氣囊在低壓區(qū)會突然膨脹，氣囊的存在，使得水力機(jī)械部件受力不穩(wěn)，誘發(fā)機(jī)械振動，影響機(jī)組的安全運行，應(yīng)嚴(yán)禁這種漩渦的發(fā)生。

圖1 進(jìn)水口旋渦分類示意圖

不同類型的漩渦對工程的影響是不同的，進(jìn)水口漩渦的影響體現(xiàn)為：減小進(jìn)流量，降低流速系數(shù)；引起機(jī)組或建筑物的振動；降低機(jī)組效率；卷吸漂浮物、堵塞或損壞攔污柵等。消除進(jìn)水口漩渦具有十分重要的現(xiàn)實意義，筆者通過東雷二期抽黃工程下寨泵站吸水池進(jìn)水流道的改造對消渦措施進(jìn)行了初步探討。

1 工程現(xiàn)狀

下寨泵站屬于東雷二期抽黃灌區(qū)三座樞紐站之一，控制灌溉面積80.5萬畝，本級灌溉面積11.94萬畝。下寨站設(shè)計上水面高程435.62 m，設(shè)計下水面高程382.35 m，凈揚程53.27 m，總揚程60.3 m，灌溉設(shè)計流量28.0 m3/s。泵站進(jìn)水建筑物包括進(jìn)水扭面、進(jìn)水閘、開敞流道、分水閘、壓力箱涵流道、及吸水池六部分。

下寨泵站更新改造工程于2014年9月開工，2015年1月完成了兩臺1 200 LW立式蝸殼泵及電動機(jī)改造安裝，并在當(dāng)年冬、春、夏灌中投入試運行。經(jīng)幾次試運行，新安裝水泵機(jī)組仍存在設(shè)計水位及最低水位時出現(xiàn)氣蝕聲，流量衰減、效率較低及機(jī)組振動和噪音問題的問題。新安裝機(jī)組運行時，在水泵吸水池壓力箱涵式進(jìn)水流道口有吸氣式漩渦產(chǎn)生，水泵吸水池內(nèi)水流上下翻滾，水流紊動嚴(yán)重，流態(tài)太差，影響到水泵進(jìn)水管道中水流的穩(wěn)定性和水泵抽水的穩(wěn)定性。

2 進(jìn)水流道改造

下寨泵站進(jìn)水流道為2.5 m×2.0 m的壓力箱涵，壓力箱涵出口與吸水池底部連接。由于壓力箱涵進(jìn)口淹沒不充分，進(jìn)口水位在設(shè)計水位及以下時，水面不斷旋轉(zhuǎn)，常常發(fā)生漏斗型汽柱進(jìn)入箱涵。流入橢圓形吸水池的水體大量摻汽，池內(nèi)水流上下翻滾，少部分氣體排出，仍有大量摻汽水體進(jìn)入水泵。水流紊動嚴(yán)重，流態(tài)太差，影響到水泵進(jìn)水管道中水流的穩(wěn)定性和水泵抽水的穩(wěn)定性，造成水泵汽蝕、振動破壞、噪聲超標(biāo)。根據(jù)下寨三級站多年運行經(jīng)驗，水泵必須在流道前高水位(高于設(shè)計水位1.0 m)情況下才能正常運行，當(dāng)進(jìn)水水位降至設(shè)計水位及以下時，壓力箱涵進(jìn)口出現(xiàn)旋渦就難以運行。

進(jìn)水流道由壓力箱涵改為明流箱涵后，流道進(jìn)口產(chǎn)生吸氣旋渦的條件消失了，水流流態(tài)發(fā)生了變化，進(jìn)入水泵吸水池的水流速度變小，吸水池中水流液態(tài)平穩(wěn)，有利于水泵機(jī)組的平穩(wěn)運行。

3 CFD數(shù)值模擬

3.1 流道改造前CFD數(shù)模結(jié)論

本次對改造前的進(jìn)水流道及改造后的進(jìn)水流道均進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬。對改造前進(jìn)水流道CFD數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，在原壓力進(jìn)水流道前進(jìn)水池底部存在低流速區(qū)。由于進(jìn)入流道的水體中含有一定量的泥沙，當(dāng)水挾帶的泥沙進(jìn)入低流速區(qū)就會沉積下來，由于泥沙的沉積，壓力流道前進(jìn)水池底板就會逐漸抬高，則壓力箱涵進(jìn)口的淹沒水深逐漸減小，進(jìn)口淹沒水深達(dá)不到淹沒深度要求，壓力箱涵進(jìn)口產(chǎn)生間歇吸氣或貫通式旋渦。水流從箱涵進(jìn)水流道中高速流出，快速的進(jìn)入道進(jìn)水管道中，在吸水池內(nèi)部，底部處于高速流動區(qū)，上部處于低速流動區(qū)，水流從箱涵式進(jìn)水流道高速流出后，大部分的流量直接快速進(jìn)入水泵進(jìn)水管路中。大量的空氣進(jìn)入到箱涵式進(jìn)水流道后，在吸水池內(nèi)部來不及排出氣體，便會直接進(jìn)入到水泵進(jìn)水管路中，從而進(jìn)入水泵，引起水泵性能的下降，產(chǎn)生流量衰減等現(xiàn)象。

3.2 流道改造后CFD數(shù)模結(jié)論

流道改造對進(jìn)水池及吸水池的結(jié)構(gòu)尺寸均未改變，僅將進(jìn)水流道由壓力篚涵改為明流箱涵。由CFD數(shù)模計算可知：壓力箱涵改為明流后，進(jìn)水池中速度較為均勻，底部的低速流動區(qū)的范圍明顯減少，進(jìn)水池中的泥沙淤積將會明顯的緩解。因此由箱涵式引水流道改為明渠引水后，進(jìn)水池中的泥沙淤積問題也將明顯緩解。

4 結(jié)語

水利工程中進(jìn)水建筑物的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸對水流液態(tài)有著較大的影響，特別對泵站吸水池的進(jìn)水建筑物，必須確保進(jìn)入吸水池中的水流順暢、流速均勻、不得產(chǎn)生渦流。對于影響吸水池流態(tài)的進(jìn)水口，應(yīng)通過CFD數(shù)值模擬進(jìn)行分析驗證，合理確定進(jìn)水口型式。