王 慧，羅曉旭

（1.江蘇省泗陽閘站管理所，江蘇 宿遷 223700；2.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 概 述

離心式水泵站已朝著標準化、系列化、高功率化的方向發(fā)展。前池與進水池在泵站中一般設置在引渠與水泵機組之間，其作用是把引渠和進水池合理地銜接起來，使水流平穩(wěn)且均勻地流人進水池，為水泵提供良好的吸水條件。但由于一些大型泵站的機組較多，擁有多個水池，在進行開機組合時，容易產生泵站前池、后池出現(xiàn)不穩(wěn)定水流流動的情況，如漩渦、橫流等，進而造成了不同機組之間存在不均勻的入流，會讓水泵內部流場產生一定的變化，對水泵正常運行產生一定的影響［1］。因此，對大型泵站的不同開機組合下泵站前池與進水池中的水流流動特性進行分析，能夠了解不均勻入流的規(guī)律，進而能夠對大型泵站的安全、穩(wěn)定運行提供有利的支持［2］。

本研究通過構建泵站前池與進水池的三維模型，分析不同開機并聯(lián)運行方案中前池與進水池的水流特性，計算出不同開機并聯(lián)運行方案對水泵前池與進水池的水流流態(tài)的影響。

2 泵站前池與進水池三維模型

2.1 立式離心式水泵泵站模型

在構建泵站前池與進水池三維模型中，考慮到在泵站中水流的流動與熱傳導、水與空氣的壓縮性無關，所以構建了質量與動量守恒的方程。在此基礎上，進一步構建立式離心式水泵泵站模型，模型主要由前池、進水池、4臺離心泵、引渠構建而成，模型中的前池與進水池均為正向的出水與進水。4臺機從右至左的編號分別為1、2、3、4（如圖1）。本研究采用吸入管傾斜取水的方式，平均水位為2.06 m，水泵轉數(shù)為1 200 r/min，運行流量范圍為0.2224~0.2589 m3/s，最佳流量為0.2460 m3/s 時所對應的吸入管進口至蝸殼出口的揚程為36.1 m［3］。

圖1 泵站平面

2.2 泵站前池與進水池計算模型

泵站前池與進水池計算模型主要涵蓋了引渠、前池、進水池、水泵機吸入管等內容，在參數(shù)確定后，運用UGNX 軟件構建泵站前池與進水池計算模型，如圖2所示。

圖2 泵站前池與進水池計算模型

在構建模型后，需要進行相應的網格劃分，為了更好地控制網格數(shù)量，將模型分為3個計算域，并運用ANSYS ICEM 軟件，所有的網格均為結構化網格。選取進出口的水力損失與進水池中的水深平均高度作為網格無關性的評判參數(shù)，劃分了6 套網格方案（表1），對網格無關性、數(shù)值計算收斂性進行比較分析。

表1 前池、進水池模型的網格方案

此外，在對網格無關性、數(shù)值計算收斂性進行比較分析時，由前池及進水池模網格無關性驗證結果（表2）可知，隨著網格節(jié)點數(shù)量的增加，網格收斂指數(shù)逐步減少，說明研究中數(shù)值求解結果精度得到不斷提升。同時，通過表2 可以看到節(jié)點逐步接近方案5 的節(jié)點數(shù)時，水力損失增幅約為0.3%，同時進水池的平均高度誤差在2.5%左右，進而綜合考慮收斂性精度、水力損失幅度、進水池的平均高度誤差情況，選取方案5作為數(shù)值的計算方案［4］。

表2 前池及進水池模網格無關性驗證

2.3 邊界條件

在邊界條件設置中，主要采用ANSYS CFX軟件進行計算，并采用均相流模型進行氣液模擬，在計算域內流體流動考慮重力的影響時，其邊界條件如表3所示。

表3 邊界條件設置

3 開機組合方案的確定

3.1 開機組合篩選

在開機組合實施時，本次研究設計了4 臺水泵機組，運用正交實驗的方法，確定本次研究組合方案，分析不同開機組合方案進水池與前池的水流流態(tài)變化情況。經過正交實驗后，其開機組合的方案如表4 所示，可知當前方案1 中的機組開機數(shù)量最多，為4臺全部開啟，其次為方案2中開啟3臺。

表4 開機組合方案

3.2 開機組合前池與進水池流態(tài)

3.2.1 前池與進水池流態(tài)分析公式

根據(jù)不同開機組合情況，進行前池與進水池的流態(tài)分析，在分析中運用流速最大值不均勻系數(shù)來表示各個特征斷面水流流速的最大值偏離平均流速的程度［5］，計算式為

式中：Svmax為流速最大值不均勻系數(shù)；Vmax為斷面水流流速的最大值為斷面水流流速的平均值。

斷面水流流速的平均值計算式為

式中：m為水的質量流量；V為水流的流速。

3.2.2 前池與進水池流態(tài)分析

（1）開機方案1

開機方案1中是將4臺機器全面啟動，啟動后，引渠進入泵站后，前池的水流會逐步擴散開來，流速會迅速降低，前池范圍內水流流速的非均勻系數(shù)為2.67，這時前池水流流速加快，形成較大的漩渦。另外，非均勻系數(shù)為2.55 時，其截面中會形成每個進水池的單獨漩渦。

（2）開機方案2

開機方案2 中是將編號1、2、3 的機組全部打開，將編號為4的機組關閉，分析其前池與進水池流態(tài)的情況。經過分析可知，由于編號為4 的臺機關閉，其水流流向4臺機后，又轉流向3臺機，導致3臺機的水流流速明顯增加，4臺機處形成小漩渦［6］。

（3）其余開機方案

在開機方案3中，1、4臺機啟動，2、3不啟動，當靠近0.22 m、1.0 m特征截面時差別較大?？拷?.22 m水流逐步擴散均勻，靠近1.0 m特征截面時，由于2、3 臺機未啟動，進而在2、3 處形成了相應的回流漩渦，同時不斷涌入1、4臺機中，導致1、4臺機的流速較高。在開機方案4 中，1、3 臺機關閉，2、4 臺機開啟，當靠近0.22 m時，前池中的水會不斷地流入1 臺機對應的進水池中，形成相應的漩渦，靠近1.0 m時水流會在進水池中進一步形成相應的漩渦。在開機方案5中，1、2臺機關閉，3、4臺機開啟，導致1、2 臺機的前池水流流速不均勻，其主流存在一定的偏向，靠近0.22 m 時前池的主流流態(tài)無明顯變化，但1、2臺將單獨形成漩渦，但靠近1.0 m時則會在2、3 臺機對應的前水池形成明顯的流速較高漩渦，同時2、3 臺機會形成相應的橫流。在開機方案6 中，只開1臺機，2、3、4臺機關閉，其特征截面上水流流速的非均勻程度較為嚴重，主流水進入到前池時，會產生擴散不充分的情況，前池邊壁容易出現(xiàn)漩渦，同時在靠近0.22 m與1.0 m時，會產生主流存在較大偏轉、紊亂的情況［7］。

4 吸入管進口的流動情況

4.1 吸入管進口流動分析公式

在分析不同開機組合下吸入管進口的流動情況時，從流速、軸向速度、圓周速度3 個方面進行分析，計算式為

式中：Vu為圓周速度；Vy、Vz分別為沿著y、z軸方向的水流流速；θ為以吸入管進口為原點極坐標的角度。

圓周速度的差值計算式為

式中：ΔVu為機組全部開啟時，各個吸入管的進口圓周速度為其他機組方案實施時，各個吸入管的進口圓周速度。

4.2 水泵吸入管進口流場分析

當進行開機方案1 時，4 臺機全部開啟，這時前池與進水池的水流流速呈現(xiàn)較為明顯的對稱，同時沿著x、y軸的水流、軸向、圓周速度為對稱分布。在對后續(xù)其他開機順序進行分析時，以開機方案1 為基準，進行吸入管進口圓周速度的差值比較與分析。經過分析得知，在啟動1 臺、同時啟動2 臺或3 臺時，其吸入管進口圓周速度的差值是不同的。經過圓周速度的差值計算可知，方案2、方案5 對吸入管的進口預旋的影響較大，方案3、方案4 以及單獨啟動1臺機的方案對吸入管的進口預旋的影響較?。?］。

5 前池與進水池的瞬間流動特征

5.1 開啟4臺機組

開啟4 臺機為開機組合方案1 的方法，在開啟4 臺機時，當接近1.0 cm時，其流速與流線的分布會形成不同程度的漩渦。當時間達到20 s 時，會在左側產生局部漩渦，在中心形成中心漩渦；當時間達到40 s時，左側的局部漩渦逐步轉化為壁面脫流；當時間達到60 s時，中間的漩渦會消失，并在右側形成壁面脫流；當時間達到80 s時，左側與右側的壁面脫流會分別形成附壁漩渦；當速度達到100 s 時，兩側的附壁漩渦會迅速增大。

另外，水泵吸入管的流速是不均勻的，其數(shù)值會隨著時間的改變而變化。在同時開啟4 臺機時，通過開啟4臺機吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)變化（表5）可知，Svmax的數(shù)值變化較小。2 臺機與3 臺機的的數(shù)值略小于1臺機與4臺機，這主要是受到組合方案1 中心漩渦的影響，其主水流會逐步涌入到1 臺機與4 臺機對應的水池中，形成兩側的附壁漩渦，附壁漩渦的形成對吸入管進口流動產生一定的影響。

表5 開啟4臺機吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)

5.2 開啟3臺機組

開啟3 臺機組主要為開機組合方案2 的方法，1、2、3 臺機開啟，4 臺機關閉，在這種情況下會形成側面主流集中的方式，進而讓4 臺機對應的進水池形成相對獨立的漩渦，流速較為穩(wěn)定。當接近1.0 m時，其流動的情況仍然呈現(xiàn)復雜的情況。當時間達到20 s時，前池側壁的附壁漩渦在前池的中間位置，同時出現(xiàn)了大范圍的回流，并存在擴散不充分的情況。時間達到40 s時，附壁漩渦逐步形成局部漩渦，其漩渦的范圍不斷擴大，同時在漩渦影響下，主流的偏轉角度不斷減少。

另外，在開啟3 臺機時，1 臺機的流速最大值不均勻系數(shù)隨著時間波動出現(xiàn)小幅變化（表6），但2臺機與3 臺機會出現(xiàn)較大幅度的波動，特別是3 臺機會形成相應的橫流，進而對吸入管進口速度產生一定的干擾。由此可知，吸入管的進口速度與前池的流態(tài)具有較大的關聯(lián)。

表6 開啟3臺機吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)

5.3 開啟2臺機組

開啟2 臺機的方案分別是方案3、方案4、方案5，方案3與方案4屬于組合的開機方式，方案5為一側的開機方式。

在進行方案3時，當時間為20 s時，出現(xiàn)了大范圍的反向回流及擴散不充分的情況，對主流流速產生一定的影響。時間為40 s時，出現(xiàn)了局部的漩渦，同時在40 s 后，局部漩渦對主流水流的擠壓逐步減弱，其漩渦的位置也逐步向引渠的位置進行偏移。由以上分析可知，在開啟3臺機時，由于受到大范圍回流的影響，主流流入前池時，其左側的流向會發(fā)生偏離，4臺機的水流會流入3臺機進水池，并會回流起到一定的補充作用［9］。

在方案3 中，2 臺機、4 臺機的流速最大值不均勻系數(shù)相對1臺機而言，其變化波動情況較大（表7），這主要是受到局部漩渦的影響。

表7 方案3吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)

方案4 相比方案3 而言，在20 s 時，其主流會在前池形成相應的局部漩渦與獨立回流的情況，進而在前池的作用下導致進入水池的流速出現(xiàn)不均勻的情況。在20 s之后，前池的漩渦會逐步變小，但仍然會對單獨形成的回流帶來一定的擾動。在流速最大值不均勻系數(shù)（表8）方面，其4臺組的不均勻系數(shù)大于2 臺組，這說明雖然主流進入到了4 臺組對應的進水池，但未能提供良好入流條件。

方案5 在20 s 時，前池右側壁面的局部漩渦范圍較小，其主流偏轉角度也較小，同時出現(xiàn)了橫流與回流的現(xiàn)象。在40 s 時橫流逐步消失，在60 s 時局部漩渦逐漸變小，使得進入水池的水流更加平穩(wěn)。在方案5 中，開啟4 臺機組相比3 臺機組而言，具有較好的穩(wěn)定性，說明一側開啟臺機的方式會受到橫流影響，并且比較顯著。方案5 吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)見表9。

表9 方案5吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)

5.4 開啟1臺機組

開啟1 臺機主要涵蓋了方案6、方案7、方案8，在方案6開啟時，其進水池的水流較為平穩(wěn)，隨時間變化的情況較小。但在20 s 時會形成附壁漩渦、局部漩渦，在一定程度上影響主流的匯集。在20 s后，進水池與前池未發(fā)生明顯變化，同時前池中產生的附壁漩渦會互相干擾，并逐步向下游移動［10］。

在方案7中，20 s時會形成較大范圍的漩渦，影響正常的水流流出，但在40 s后，較大的漩渦逐步向右側移動，進而流入到進水池中。

在方案8 中，20 s 時與方案7 一樣，會形成較大范圍的漩渦，同時出現(xiàn)相應的回流現(xiàn)象，20 s后漩渦逐步變小并脫落，向下游移動。另外，也會形成相應的獨立小漩渦，并對主流產生一定的擠壓。

通過方案6、方案7、方案8 吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)（表10）可知，吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)較為穩(wěn)定，但方案6 相比其他2 個方案的系數(shù)起伏略大，所以只開啟1臺機時，方案7、方案8相比方案6更加適合。

表10 方案6、7、8吸入管進口速度最大值不均勻系數(shù)

6 結 語

本文針對不同開機組合下泵站前池與進水池中的水流流動特性進行了研究，先進行前池與進水池計算模型的構建，再進行相應的網格劃分與無關性的參數(shù)評判，并進行相應驗證。針對模型邊界條件的設置，共設計了8 中開機組合方案，并按照組合方案進行了前池與進水池中的水流流動特性的分析。

（1）在不同的開機組合下，開4臺機、3臺機、2臺機的吸入管進口中心所在特征截面上，前池中的水流流動比較平穩(wěn)，但靠近水面特征截面上水流流態(tài)的情況較差，同時主流在流入前池前與前池后，均會發(fā)生較大的偏移情況。

（2）在不同的開機組合下，啟動1 臺機時，會產生主流流水擴散不充分的情況，也會產生相應的漩渦與附壁渦，但開啟不同數(shù)量機組時，其水流流態(tài)、漩渦、附壁渦會隨著時間的變化產生明顯的差異。

（3）不同的開機組合都會對吸入管進口的預旋會產生一定的影響，但組合開機與單臺開機相比其他組別，對吸入管進口的預旋產生的影響較小。

（4）在不同的開機組合下，吸入管進口速度的分布呈現(xiàn)不均勻的情況，同時能夠隨著時間的變化而移動，尤其是一側開機組的流速較為明顯，這主要是由于受到橫流與漩渦的影響。