李明 王勇 張子龍 熊偉 劉厚林

摘要：

泵站進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)的好壞會(huì)直接影響到泵的工作效率以及整個(gè)泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行?；贑FX，使用Realizable k-ε湍流模型研究了不同水位和流量工況下進(jìn)水池內(nèi)表面渦特性以及流速均勻性動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)水位為600 mm時(shí)，小流量工況下兩側(cè)表面渦分布不對(duì)稱，隨著流量增大，兩側(cè)表面渦相互影響程度減??；當(dāng)水位為800 mm時(shí)，不同流量工況下兩側(cè)表面渦分布均對(duì)稱；當(dāng)水位為1 000 mm時(shí)，小流量情況下兩側(cè)表面渦分布對(duì)稱，隨著流量增大，兩側(cè)表面渦相互影響程度增大。隨著特征截面水位降低，進(jìn)水池內(nèi)特征截面的旋渦總環(huán)量增加，且旋渦總環(huán)量與水位成反比，與流量成正比；泵進(jìn)口斷面流速分布均勻度隨著流量的增加而先增大后減小，隨水位的增加而增大。研究成果可為進(jìn)水池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

進(jìn)水池； 表面渦； 流速分布均勻度； 旋渦總環(huán)量； 數(shù)值模擬

中圖法分類號(hào)： U462.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.035

0 引 言

泵站進(jìn)水池是水泵直接從中取水的水工建筑物，進(jìn)水池作為前池和水泵葉輪室的過渡段，是泵站不可或缺的組成部分。泵站進(jìn)水池的主要作用是為泵進(jìn)口提供穩(wěn)定均勻的進(jìn)水條件，保證泵在水力設(shè)計(jì)狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行［1-2］。然而進(jìn)水池內(nèi)存在的各種旋渦會(huì)導(dǎo)致空化、附加振動(dòng)和葉片負(fù)載過大，會(huì)直接影響泵站的運(yùn)行效率和安全性能［3-5］。因此有必要對(duì)進(jìn)水池的內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行研究，以探究提高進(jìn)水池流動(dòng)穩(wěn)定性的方法。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)進(jìn)水池的內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了物理試驗(yàn)和數(shù)值研究。何耘［6］將進(jìn)水池中的旋渦分為自由表面旋渦和水中旋渦兩種；美國(guó)Alden實(shí)驗(yàn)研究室通過實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象，依據(jù)表面渦強(qiáng)弱將其分為6種類型［7］；Ansar［8］、Rajendran［9］、李永［10-11］、李大亮［12］、劉超等［13］分別通過模型試驗(yàn)的方法，采用粒子圖像測(cè)速（PIV）、聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）對(duì)進(jìn)水池旋渦特性進(jìn)行測(cè)量研究；楊帆［14］、宋希杰［15］和Cheng等［16］分別對(duì)進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)并分析了水中旋渦對(duì)進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)特性的影響；張德勝［17］、吳鵬飛等［18］采用CFD和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了泵站進(jìn)水池內(nèi)的旋渦形成機(jī)理。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了各種探索，并對(duì)旋渦形成、抑制機(jī)理進(jìn)行了研究。但事實(shí)上，不同水位和不同流量工況下進(jìn)水池的內(nèi)部流動(dòng)往往會(huì)呈現(xiàn)不同的特性，目前對(duì)此研究還較少。

本文以開敞式進(jìn)水池為研究對(duì)象，采用CFX對(duì)不同水位和流量工況下的進(jìn)水池內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行研究，分析了進(jìn)水池表面渦動(dòng)態(tài)特性、表面渦環(huán)量特性和流速均勻度變化規(guī)律，為進(jìn)水池的工程優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

圖1為進(jìn)水池關(guān)鍵幾何參數(shù)及計(jì)算域示意圖，該計(jì)算域主要包括上游水箱、進(jìn)水流道、喇叭口、葉輪、導(dǎo)葉和出口管道。其中混流泵設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=1 875 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=698.5，葉輪直徑d=180 mm?；炝鞅迷谠O(shè)計(jì)流量Qd=518 m3/h工況下運(yùn)行時(shí)，揚(yáng)程為3 m，效率為60％。進(jìn)水喇叭口直徑D=1.62d，與底面間的距離h=d，進(jìn)水池寬度B=2.75d，進(jìn)水管中心與后墻間的最小距離C=d，液面高度為H，進(jìn)水池長(zhǎng)度L=6d。

1.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算域的復(fù)雜程度，采用ICEM軟件選擇結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格2種方式對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)喇叭口以及自由液面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用局部加密處理，將計(jì)算域中的網(wǎng)格尺度y+維持在30～500之間［19］，以保證壁面處的水流狀態(tài)能夠準(zhǔn)確反映出來(lái)。具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

為了提高計(jì)算效率，同時(shí)保證一定的計(jì)算精度，需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。選取計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量分別為：125萬(wàn)，267萬(wàn)，375萬(wàn)，490萬(wàn)，550萬(wàn)，670萬(wàn)，790萬(wàn)，865萬(wàn)共8套劃分方案進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，選擇進(jìn)水池總水力損失，即進(jìn)水池進(jìn)口斷面到出口管出口斷面的水力損失為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)流量Qd=518 m3/h下，不同水位工況下的總水力損失如圖3所示，由圖3可知：隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，總水力損失呈增大的趨勢(shì)，在網(wǎng)格數(shù)大于550萬(wàn)之后，水力損失的變化范圍小于5%，達(dá)到了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的要求。因此，本次研究選擇數(shù)量為550萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計(jì)算。

從圖8可以看出：在φ增加至0.929的過程中，兩側(cè)旋渦強(qiáng)度差異變小，進(jìn)水池流態(tài)穩(wěn)定性隨著φ值增加而增強(qiáng)，且在φ=0.929時(shí)兩側(cè)旋渦位置對(duì)稱性最好，進(jìn)水池流態(tài)最穩(wěn)定。隨著φ繼續(xù)增加，左側(cè)旋渦強(qiáng)度明顯高于右側(cè)，右側(cè)旋渦被吸入左側(cè)，進(jìn)水池流態(tài)開始變差。

從圖9可以看出：當(dāng)φ由0.637增加至0.929時(shí)，兩側(cè)旋渦強(qiáng)度差異逐漸減小，旋渦的偏離程度減小，進(jìn)水池流態(tài)變好。當(dāng)φ繼續(xù)增加時(shí)，可以明顯發(fā)現(xiàn)右側(cè)旋渦強(qiáng)度高于左側(cè)，左側(cè)旋渦被吸入右側(cè)，左右兩側(cè)旋渦強(qiáng)度不對(duì)稱性增強(qiáng)，進(jìn)水池流態(tài)變差。

3.1.3 進(jìn)水池表面渦環(huán)量特性

進(jìn)水池內(nèi)表面渦的強(qiáng)度超過允許值時(shí)，會(huì)形成嚴(yán)重的旋渦塌陷，在旋渦塌陷的過程中還夾雜著氣帶，易產(chǎn)生吸氣渦，造成葉片空化、振動(dòng)和結(jié)構(gòu)顫振等負(fù)面影響，影響泵的運(yùn)行效率和壽命。圖10為不同水位和流量工況下進(jìn)水池內(nèi)各特征截面上（B略寫）的旋渦總環(huán)量分布情況。從圖10中可以看出：不同水位和流量工況下，特征截面旋渦總環(huán)量的最大值處于喇叭管進(jìn)口的位置上，隨著截面水平位置的上升而依次減小，在自由液面處旋渦總環(huán)量值最小。這主要是因?yàn)樵诒梦肟趶?fù)雜流態(tài)相互干涉，隨著截面位置的不斷上升，流體運(yùn)動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，削弱了大旋渦環(huán)量的產(chǎn)生。另外，淹沒深度也會(huì)影響旋渦的強(qiáng)度，隨著淹沒深度的降低旋渦強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)反比例增加的趨勢(shì)，可以看到H0=600 mm時(shí)，旋渦環(huán)量值明顯高于其他兩種水位工況。

3.2 進(jìn)水池流速均勻度

不同流量和水位工況下泵進(jìn)口斷面流速分布均勻度如圖11所示。從圖11中可以看出：在不同水位工況下，泵進(jìn)口斷面流速分布均勻度均隨φ值的增大而先增大后減小，且均在φ=0.929附近達(dá)到最大值。結(jié)合圖7～9的表面渦強(qiáng)度關(guān)系可知，在各水位工況下，特征截面B8的表面渦分布位置不對(duì)稱度均隨著流量的增大而先減小后增大，在φ=0.929附近時(shí)不對(duì)稱度最小，由此可推知泵進(jìn)口斷面流態(tài)穩(wěn)定性先增強(qiáng)后減弱且在φ=0.929附近流態(tài)最佳。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，泵進(jìn)口斷面流速分布均勻度隨著水位的增加而增大，增加幅度隨著φ值的增大而增大，且在水位較低時(shí)增大幅度更明顯，這是因?yàn)檩斔土髁肯嗤瑫r(shí)，水位越高，液面流動(dòng)受液下流動(dòng)的干擾越小，液面流動(dòng)速度較小，不容易產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)，因此流態(tài)更好，從而具有更大的速度分布均勻度。水位較低時(shí)，液面流態(tài)對(duì)水位的變化極為敏感，水位的細(xì)微變化都會(huì)引起液面流態(tài)劇烈變化，因此在水位較低時(shí)，流速分布均勻度隨水位變化較為明顯，然而當(dāng)水位突破某一臨界高度后，液面流態(tài)對(duì)水位的敏感度大幅度降低，受到液下流動(dòng)的干擾作用減小。因此當(dāng)水位繼續(xù)升高時(shí)，液面流態(tài)改善效果并不明顯，從而流速分布均勻度提高幅度較小，可以預(yù)見，若水位繼續(xù)升高，由于流動(dòng)已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)流速分布均勻度的變化將不顯著。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同流量和水位工況下進(jìn)水池的內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，對(duì)特征截面表面渦的動(dòng)態(tài)變化和進(jìn)水池流速均勻性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1） 進(jìn)水池后壁處兩側(cè)表面渦相互耦合，造成左右表面渦的不對(duì)稱性和不穩(wěn)定性，尤其在高水位大流量和低水位小流量工況下，該現(xiàn)象較為明顯。

（2） 不同水位和流量工況下，特征截面上旋渦環(huán)量與特征截面水平位置成反比例關(guān)系，并且在低水位工況下旋渦環(huán)量值高于其他工況，若泵在低水位工況長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，建議在泵入口位置設(shè)置阻渦裝置以改善進(jìn)口流態(tài)。

（3） 泵進(jìn)口斷面流速分布均勻度隨著流量的增加，先增加后減小，在φ=0.929附近達(dá)到最大值。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

The flow pattern in the intake tank of pumping stations directly affects the working efficiency of pumps，and even the safe and stable operation of the whole pumping station.In this paper，based on CFX software，the Realizable k-ε turbulence model was used to study the dynamic changes of surface vortex characteristics and velocity uniformity in the intake tank under different water level and flow conditions.The results showed that when the water level was 600 mm，the distribution of surface vortex on both sides was asymmetric under small flow conditions.With the increasing of flow rate，the mutual influence of surface vortex on both sides decreased.When the water level was 800 mm，the surface vortex distribution on both sides was symmetrical under different flow conditions.When the water level was 1000 mm，the distribution of surface vortex on both sides was symmetrical under small flow conditions.As the flow rate increased，the mutual influence of surface vortex on both sides increased.With the decreasing of the water level at the characteristic sections，the total circulation of the vortex in the characteristic sections of the intake tank increased.The vortex total circulation in the section was inversely proportional to the water level and proportional to the flow.The velocity distribution uniformity of the pump intake section first increased and then decreased with the increase of flow rate，while it increased with the water level.

Key words：

intake tank；surface vortex；velocity distribution uniformity；vortex total circulation；numerical simulation