韋 曄

(廣東華禹工程咨詢有限公司，廣東 廣州 511340)

進(jìn)水池是泵站工程中的重要組成部分，進(jìn)水池的流態(tài)及水力特性會(huì)影響水泵的使用性能，不良的流態(tài)[1]如渦流等現(xiàn)象會(huì)直接損害泵站進(jìn)水管，在引水過程中出現(xiàn)空蝕等現(xiàn)象。泵站進(jìn)水池處水流多呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，前池的水流經(jīng)過進(jìn)水池時(shí)會(huì)由于流速不均出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，無規(guī)律變化的渦流是影響泵站正常運(yùn)行效率及穩(wěn)定性的重要因素。因此，研究泵站進(jìn)水池中渦流狀態(tài)對(duì)泵站采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防及消渦措施具有重要意義。

根據(jù)水力學(xué)相關(guān)理論可知，渦流是流體在流動(dòng)過程中普遍存在的一種基本形態(tài)[2]。泵站進(jìn)水池作為常見的水工建筑物，通常用于水電站廠房取水的取水建筑物，根據(jù)其使用功能常布置在壓力前池與泵站之間。造成渦流現(xiàn)象[3]出現(xiàn)的常見原因有以下幾種：進(jìn)水池選址不當(dāng)引起的水流不均勻流動(dòng)；沿進(jìn)水池流道中存在阻礙物造成水流的不均勻流動(dòng)；進(jìn)水池流道中梯段設(shè)置不當(dāng)造成水流流速梯度較大等。

1 嵌入式大渦法模型

湍流場中廣泛存在尺度的相似性[4]，因此在建立大渦模擬方程前需進(jìn)行尺度分析，通過建立約束條件，確定湍流大渦模擬的亞網(wǎng)格模型系數(shù)，進(jìn)而給出新的大渦模擬計(jì)算模型。泵站進(jìn)水池的流態(tài)極不穩(wěn)定，在建立湍流場模型時(shí)，在接近平衡的湍流區(qū)域采用雷諾平均模型進(jìn)行模擬，而在非平衡湍流區(qū)即渦流區(qū)則采用嵌入式大渦數(shù)值模擬[5]。

進(jìn)水池中的流動(dòng)可以看作為不可壓縮流動(dòng)[6]，根據(jù)不可壓縮流動(dòng)的水力特性列出數(shù)值計(jì)算的控制方程如公式(1)及(2)所示。

(1)

(2)

2 模型模擬介紹

本文中用于實(shí)驗(yàn)?zāi)M的室內(nèi)物理模型主要由進(jìn)水池前池、進(jìn)水池流道、吸水管3部分組成。模型示意如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?單位：mm)

為便于觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將進(jìn)水流道的四周及底部均選用亞克力玻璃材質(zhì)。吸水管直徑為0.114 m，進(jìn)水池總長0.916 m，流道寬為0.284 m，進(jìn)水池流道內(nèi)水流的平均流速為0.22 m/s。喇叭口距離底部為0.5d，吸水管吸水的流量假定為0.02 m3/s，吸水管內(nèi)水流平均流速為1.9 m/s。定義吸水管雷諾數(shù)為220 000，流道雷諾數(shù)為84 000，通過改變水流通過吸水管的流量和水位高度來模擬不同實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)主要觀察不同工況下，吸水管周圍水流的特性和出現(xiàn)的渦流類型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析不同渦流狀態(tài)產(chǎn)生的原因。實(shí)驗(yàn)過程中觀測儀器采用PIV測量儀器，示蹤粒子采用隨性良好、直徑為3～5 um的空心玻璃球作為示蹤粒子。

嵌入式大渦法模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)計(jì)算量較大，故本文利用ANSYS建立實(shí)體模型并進(jìn)行有限元分析。在分析計(jì)算過程中采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，降低網(wǎng)格劃分過程中的誤差估計(jì)。嵌入式大渦模型為分域模型，故在利用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)將實(shí)驗(yàn)用流場劃分若干個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，針對(duì)邊界及自由液面等局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格數(shù)為6.8×106。定義實(shí)體模型中進(jìn)水口設(shè)置為自由表面，出水口定義為質(zhì)量流邊界，且進(jìn)水口與出水口處的質(zhì)量流量相等。在整個(gè)計(jì)算過程中進(jìn)水池壁面定義為無滑移的邊界條件。

實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)比附底渦、表面渦兩種典型渦流的環(huán)量來驗(yàn)證模擬。由圖2～3可以直觀的看出模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)值環(huán)量的變化趨勢接近，模擬結(jié)果的數(shù)值略大于實(shí)測數(shù)值，且環(huán)量的變化率高于實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算的數(shù)值。這一結(jié)果表明本文選用的嵌入式大渦法模型模擬結(jié)論與模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)論大致相同，故可在模擬結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步的分析。

圖2 附底渦環(huán)量對(duì)比示意

圖3 表面渦環(huán)量對(duì)比示意

3 渦流水力特性研究

3.1 進(jìn)水池渦流分類

實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)進(jìn)水池周圍壁面位置進(jìn)行拍攝，每秒拍攝3對(duì)單次曝光照片。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過調(diào)節(jié)吸水管流量和水位高度，觀察并記錄不同流量和水深條件下，進(jìn)水池吸水管周圍水流的特性和出現(xiàn)渦旋的類型，進(jìn)而得出渦旋類型的整體發(fā)展過程。

實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入擬合公式求得結(jié)果與Chang[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說明該模擬裝置可以用于測試進(jìn)水口的渦流狀態(tài)。由拍攝結(jié)果可知在進(jìn)水池部位常見的渦流狀態(tài)包括自由表面渦、附底渦、側(cè)壁渦、后壁渦，具體的渦流形態(tài)描述如下。

3.1.1自由表面渦

通過觀察可知，在模型吸水管后部分別形成了1個(gè)呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流，1個(gè)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流，因?yàn)闇u流出現(xiàn)在吸水管后部液面的表面，故定義為表面渦。隨著測量截面不斷向吸水管進(jìn)口靠近，渦流形成的流線在渦核區(qū)域有聚集的趨勢。隨著測量截面向吸水管進(jìn)口靠近，渦心的強(qiáng)度是明顯增加的，原因在于渦流由于受吸水管的吸附力作用，表現(xiàn)出向下不斷增強(qiáng)且渦核區(qū)域不斷減小的特性。

3.1.2附底渦

通過示蹤粒子顯示的附底渦的流線可知，可明顯觀測到在進(jìn)水管喇叭口的下方形成了1個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流。隨著測量截面漸漸移向吸水管進(jìn)口，渦流中心的渦流現(xiàn)象較為明顯，示蹤粒子的流線在渦流中心位置有不斷聚集。隨著測量截面向吸水管進(jìn)水口的距離不斷減小，渦流中心的強(qiáng)度是明顯增加的。這種現(xiàn)象表明渦由于受吸水管的吸附力作用，表現(xiàn)出越靠近吸水管進(jìn)口渦流強(qiáng)度越強(qiáng)，而流中心的渦流強(qiáng)度不斷減小，直至渦流被吸入吸水管中。

3.1.3側(cè)壁渦

通過示蹤粒子的渦流流線圖可以看出在進(jìn)水池壁面的渦流幾乎與吸水管進(jìn)口等高。隨著測量截面不斷移向吸水管進(jìn)水口，渦流位置逐步向吸水管進(jìn)口下方移動(dòng)，同時(shí)渦流中心的渦流強(qiáng)度不斷減小，表明吸水管進(jìn)口對(duì)側(cè)壁渦有加強(qiáng)作用，并且有側(cè)壁渦吸入吸水管中。

3.1.4后壁渦

通過示蹤粒子的渦流流線圖可以明顯觀察到水流在通過吸水管時(shí)有兩股水流會(huì)繞過吸水管后再匯合，而這兩股水流在繞過吸水管時(shí)在吸水管兩側(cè)的流量不均等，故在吸水管后方會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)渦不斷相互纏繞的生成和消失現(xiàn)象，定義為后壁渦。是由于吸水管進(jìn)口的吸附力作用，渦流中心強(qiáng)度增加，形成貫通到吸水管中的后壁渦。

3.2 進(jìn)水口臨界淹沒深度

為防止水泵進(jìn)水池喇叭口發(fā)生吸氣渦流現(xiàn)象，通常要求水電站進(jìn)水池有一定的淹沒深度。大量學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，總結(jié)出臨界淹沒深度這一指標(biāo)作為進(jìn)水池的主要水力特性，其中臨界淹沒深度主要受弗汝德數(shù)、速度環(huán)量及雷諾數(shù)的影響。

Gordon[8]通過分析多個(gè)水電站原型的數(shù)據(jù)資料，推導(dǎo)出臨界淹沒深度的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(3)

本文通過室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)條件的工況如表1所示，得到針對(duì)于本文中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合公式為：

(4)

3.3 尺度效應(yīng)

造成渦流現(xiàn)象的流體力學(xué)因素主要包括慣性力、粘滯力及表面張力。目前水泵進(jìn)水池室內(nèi)模型大多以弗汝德數(shù)相似的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，故本實(shí)驗(yàn)中主要考慮慣性力對(duì)水流的影響。

進(jìn)水池處渦流的強(qiáng)度大小通常用速度環(huán)量來衡量，由于側(cè)壁渦、后壁渦的渦流強(qiáng)度較小，且易受周圍水流擾動(dòng)造成統(tǒng)計(jì)不便，故本文研究對(duì)象主要為自由表面渦和附底渦。通過分析速度環(huán)量隨雷諾數(shù)、渦核半徑變化而變化的規(guī)律，判斷渦流的尺度效應(yīng)。附底渦的速度環(huán)量變化如表2所示，自由表面渦的速度環(huán)量變化如表3所示。

表2 附底渦不同渦核半徑的速度環(huán)量

分析表2數(shù)據(jù)可知，進(jìn)水池的速度環(huán)量隨著Re/Rep比值在1～0.3范圍內(nèi)減小而不斷增大，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的規(guī)律。而當(dāng)Re/Rep比值為0.1時(shí)，速度環(huán)量呈相反趨勢變化，表明在此范圍內(nèi)渦流存在著尺度效應(yīng)。

表3 表面渦不同渦核半徑的速度環(huán)量

通過表3數(shù)據(jù)分析可知，自由表面渦的速度環(huán)量隨著Re/Rep比值在1～0.3范圍減小而減小，呈現(xiàn)正相關(guān)的規(guī)律。當(dāng)Re/Rep比值為0.1時(shí)，速度環(huán)量值突增，表明此時(shí)自由表面渦流存在著尺度效應(yīng)。附底渦和自由表面渦都存在尺度效應(yīng)但渦流變化規(guī)律相反。

3.4 消渦工程措施

通過上述分析結(jié)果表明，泵站進(jìn)水池消渦工程主要通過以下幾個(gè)方面：①控制進(jìn)水池淹沒深度。通過將進(jìn)水池最低水位控制在臨界淹沒深度以下，用以消除渦流現(xiàn)象。②減小水流速度環(huán)量。通過減小進(jìn)水池滯水區(qū)范圍來消減回流，進(jìn)而減小水流的速度環(huán)量，起到消渦的目的。③安裝消渦裝置。通過在進(jìn)水池上方設(shè)置消渦梁、消渦板等結(jié)構(gòu)用以消除進(jìn)水池渦流。

4 結(jié)語

通過模型實(shí)驗(yàn)及大渦法數(shù)值模擬結(jié)果可知，在泵站進(jìn)水池存在4種渦流狀態(tài),即：自由表面渦、附底渦、側(cè)壁渦、后壁渦,了解進(jìn)水口渦流狀態(tài)有利于針對(duì)不同的渦流形態(tài)開展不同的消渦措施。通過對(duì)進(jìn)水口臨界淹沒深度及尺度效應(yīng)兩個(gè)水力特性的分析，總結(jié)出常見的3種消渦方式。