【摘要】在取水泵站內(nèi)部，產(chǎn)生的漩渦以及泥沙沉積是目前影響泵站整體效益發(fā)揮的兩大重要問題。因此，筆者在本文中決定引入巴基斯坦拉合爾地區(qū)南迪普電站的取水泵站的運(yùn)行實(shí)例，并將物理模型試驗(yàn)以及CFD（Computational Fluid Dynamic，中文全稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，CFD是它在英文方面的縮寫）分析方式相結(jié)合的方法來研究戲水是在設(shè)置M型防漩渦裝置之后，水泵的吸水管內(nèi)部以及進(jìn)水通道內(nèi)部的水動(dòng)力學(xué)特性。該研究無疑為大型的取水泵站如何進(jìn)行設(shè)計(jì)提供了較為重要的參考性意見。

【關(guān)鍵詞】水動(dòng)力學(xué)；CFD；取水泵站；設(shè)計(jì)；渦核區(qū)；M型防漩渦裝置

對于取水泵站來說，一旦發(fā)生體型設(shè)計(jì)不合理的現(xiàn)象，就會(huì)產(chǎn)生附底漩渦或者是產(chǎn)生附壁漩渦，從而使振動(dòng)與噪聲等不正?，F(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，情況嚴(yán)重者甚至?xí)θ~輪軸承的總體負(fù)荷以及機(jī)構(gòu)造成極大的破壞；其次，如果淹沒的深度較低，則會(huì)導(dǎo)致自由漩渦被誘發(fā)出來，從而使得整個(gè)取水泵站在空化方面的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，最終導(dǎo)致取水泵站的工作效率被降低。

在我國現(xiàn)行的《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》以及美國艾奧瓦州水力學(xué)研究所關(guān)于取水泵站試驗(yàn)的規(guī)定中，自由漩渦和淹沒漩渦在強(qiáng)度方面都必須小于自由漩渦第三類與淹沒漩渦第二類；而渦流角必須小于5°；并保證在整個(gè)吸水管內(nèi)部沒有明顯的、持續(xù)性的波動(dòng)或者湍流的存在。

目前，在進(jìn)行取水泵站的建設(shè)之前一般都會(huì)通過物理模型試驗(yàn)加上CFD分析的方式來對渦體進(jìn)行詳細(xì)而標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測。而在針對渦體的抑制方面，導(dǎo)流錐和防渦消渦柵都已經(jīng)被很好地運(yùn)用于實(shí)際的泵站建筑工程之中，效果非常理想，而對于導(dǎo)流錐的椎體形式也有較為充分的研究。

1.研究對象的總體情況

1.1取水泵站的總體概況

南迪普電站的地址在巴基斯坦的拉合爾地區(qū)的U.C.C運(yùn)河的左岸，在這條運(yùn)河的岸邊的取水泵房內(nèi)部設(shè)置了3臺(tái)冷卻水泵，并同時(shí)設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、粗細(xì)格柵、沖洗水泵以及泥沙提升泵。取水泵站在流量方面的數(shù)值為6.23m3/s，吸水喇叭口的直徑設(shè)計(jì)為2m，懸空高度為0.8m，后壁距以及側(cè)墻距則分別為1.65m和3m。

1.2取水泵站在物理模型中的試驗(yàn)與設(shè)計(jì)

在選擇模型比尺時(shí)，要將粘性以及表面張力的影響都考慮進(jìn)去，但同時(shí)又要對吸水管內(nèi)部的水流流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)的反應(yīng)。特別是針對漩渦現(xiàn)象，如果以行進(jìn)流速或者淹沒流速來計(jì)算雷諾數(shù)，那么在雷諾數(shù)大于3*10^4時(shí)，可以忽視縮尺效應(yīng)。但是如果根據(jù)吸水管直徑以及其內(nèi)部流速來計(jì)算韋伯?dāng)?shù)，那么在韋伯?dāng)?shù)大于120時(shí)，表面張力便不會(huì)對臨界水深造成影響。在該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，雷諾數(shù)為112947，韋伯?dāng)?shù)為813，因而并不會(huì)考慮縮尺效應(yīng)以及表面張力所帶來的影響。

但是，由于取水泵站內(nèi)部的水流仍然受重力以及慣性的影響，因而該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵勒辗鹑甑孪嗨坡蓙磉M(jìn)行設(shè)計(jì)。而對于泥沙運(yùn)動(dòng)則依然相似，主要考慮的是泥沙的懸移相似、挾沙相似以及河床變形的相似。

本次的模型試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)由試驗(yàn)泵房、運(yùn)河、前池、引水流道、水泵以及地下蓄水池所構(gòu)成，而典型斷面的流速則采用了CSY直取式微旋漿流速測試儀來進(jìn)行測量，而流態(tài)則通過示蹤劑以及攝像機(jī)進(jìn)行觀測，含沙量和泥沙級(jí)配則主要通過比重瓶與移液管進(jìn)行測量。

2.測試結(jié)果與相應(yīng)預(yù)測——以對吸水管內(nèi)部的流速分布規(guī)律的預(yù)測為例

很明顯，吸水管內(nèi)部的流速分布情況是直接關(guān)系到整個(gè)水泵是否能夠進(jìn)行正常運(yùn)行的。但由于試驗(yàn)條件存在局限性，因此采用了CFD的方式來對吸水管內(nèi)部的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測。可以發(fā)現(xiàn)，在垂直水流的方向上，有無防漩渦裝置對于速度u的影響較大（見下圖1）。

在無防漩渦裝置時(shí)，流速值呈現(xiàn)出M的分布形態(tài)，且在不同的高度均有負(fù)值出現(xiàn)，說明吸水室的后壁對其影響較大，吸水管內(nèi)部則存在渦漩流。在增加了防漩渦裝置之后，吸水管內(nèi)部的流速才逐漸趨于穩(wěn)定。

此外，在順?biāo)鞯姆较蛏希ㄒ娤聢D2），流速u分量在沒有防漩渦裝置時(shí)，流速最大值為2.42m/s并伴隨著較多的負(fù)值出現(xiàn)，這說明有部分水流是經(jīng)過了吸水室后壁的碰撞之后才進(jìn)入吸水管內(nèi)部的，在這一過程中誕生了內(nèi)渦漩流。而增加了防漩渦裝置之后，水流流態(tài)便趨于平穩(wěn)。

3.結(jié)語

通過分析之后可以看出，CFD模型有效地對吸水管內(nèi)部渦核區(qū)的分布進(jìn)行了再現(xiàn)，從而使相關(guān)的設(shè)計(jì)與技術(shù)人員們能夠認(rèn)清楚未設(shè)置M型防漩渦裝置的缺陷，從而重視對M型防漩渦裝置的設(shè)置與安裝。最后，通過對試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和比較，使M型防漩渦裝置的優(yōu)勢能夠更加明顯地顯示出來。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉亞明， 楊德明， 高潔，等. 含沙水流條件下夾馬口泵站水泵特性參數(shù)研究[J]. 水電能源科學(xué)， 2017（11）：175-177.

[2]薛士平， 楊曉紅， 吳佩鋒. 泵站彎道引水渠水流流動(dòng)特性影響分析[J]. 江蘇水利， 2017（1）：9-12.

[3]李靜毅. 取水泵站與輸水泵站的水泵配置分析[J]. 通用機(jī)械， 2016（6）：18-20.