彭遠春

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，江西 吉安 343000)

1 工程背景

某排灌站始建于1966年，1968年投運，承擔2.33萬hm2水田灌溉和100.6km2排澇任務。經(jīng)過近50年的超負荷運行，泵站的病害問題日漸突出，一直處于超期服役，帶病運行狀態(tài)，存在著嚴重的安全隱患，難以保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要?；诖?，擬對該排灌站進行重建。重建后的泵站設(shè)計總裝機容量7000kW，過水流量為56m3/s，可有效提高灌區(qū)水源提水能力，為農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟發(fā)展提供更有利的水利保障。設(shè)計重建的排灌站屬于大(2)型水利工程，泵站等主要水工建筑物為1級，采用的是結(jié)構(gòu)復雜、規(guī)模較大的直接擋水塊基型干式泵房，其結(jié)構(gòu)型式的影響因素較多，因此做好泵站裝置的選型和設(shè)計工作十分重要[1]。對灌區(qū)大型泵站裝置而言，進水流道的主要作用是引導前池的水流通過有序轉(zhuǎn)向和均勻收縮，最終進入水泵的葉輪室。因此，泵站進水流道中的水流均勻度是衡量其水力性能的重要指標[2]?；诖?，此次研究通過正交試驗的方式，對泵站的斜式進水流道進行參數(shù)優(yōu)化，力求為工程設(shè)計和建設(shè)提供借鑒。

2 試驗設(shè)計與方法

2.1 試驗設(shè)計

在模型試驗過程中，要保證模型和工程原始情況的相似性，首先需要保證模型試驗中的各個準則和實際情況相符，由于此次試驗中無周期性的水流流動，因此不需要考慮斯特勞哈爾Strouhal數(shù)，而僅需要滿足佛汝德數(shù)、歐拉數(shù)和雷諾數(shù)相等即可[3]。由于歐拉數(shù)并不是獨立量，因此僅需要考慮佛汝德數(shù)和雷諾數(shù)的相似[4]。鑒于模型試驗中存在較多自由水面，因此水流運動特征的研究可以忽略粘滯力的作用，而僅需要考慮重力的作用和影響，并主要表現(xiàn)為阻力平方區(qū)紊流流動，雷諾數(shù)已經(jīng)超過界限。所以，試驗按佛汝德數(shù)相等模擬即可[5]。

結(jié)合模型試驗場地因素和試驗精度的要求，試驗模型的幾何比尺選定為1∶20，并根據(jù)佛汝德相似準則確定其余比尺[6]，其中，流速比尺為1∶4.48、角度比尺為1∶1、坡降比尺為1∶1、流量比尺為1∶1789。

2.2 模型設(shè)計與制作

試驗系統(tǒng)主要包括閘閥、水泵、流量計、水箱、輸水管袋以及試驗模型，其中試驗模型主要包括引河、前池、進水池和進水管等。在試驗過程中，水流通過水管利用水泵輸送進水箱，然后經(jīng)過自流進入引河，而閘閥則控制每個水泵的流量[7]。試驗裝置的管道為PVC管，每個泵的流量利用電磁流量計和閘閥進行測量和調(diào)整；試驗中的流速采用直讀流速儀進行測量。

2.3 正交試驗方案設(shè)計

根據(jù)工程的原始設(shè)計方案，泵站水泵的葉輪直徑為2.2m，葉輪的中心高程為-1.42m，泵站進水流道的進口上部高程為0.4m，上緣最小淹沒深度為1.6m。參考相關(guān)研究成果和背景工程實際，研究中選擇軸向流速均勻度(V)、速度加權(quán)平均角(θ)以及水力損失(m)作為評價指標；選擇進水流道長度(L)、進水流道進口寬度(B)、進水流道喉部高度(H)以及進水流道轉(zhuǎn)彎半徑(R)為正交試驗的主要影響因素，保持其余參數(shù)值不變[8]。對于上述因素，以葉輪直徑為參照各設(shè)計4種不同的水平，結(jié)果見表1。

表1 正交試驗因素水平設(shè)計表

根據(jù)確定的試驗因素和因素水平，確定的泵站斜式進水流道正交試驗方案見表2。

表2 正交試驗方案設(shè)計表

3 試驗結(jié)果與分析

按照上節(jié)設(shè)計的正交試驗方案進行模型試驗，各方案的試驗結(jié)果見表3。

表3 各方案試驗結(jié)果

研究中以試驗結(jié)果為依據(jù)，利用極差影響分析法探究4個因素對3個衡量指標的影響程度，并將分析數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)果見表4。由表4中的結(jié)果可以看出，對于背景工程斜式進水流道的軸向流速均勻度和速度加權(quán)平均角而言，其影響的主次排序分別為喉部高度、轉(zhuǎn)彎半徑、進水流道長度和進水流道進口寬度。從極差值來看，對評價指標影響最大的是喉部高度，進水流道進口寬度對裝置本身的水力性能影響較小。

表4 極差影響分析結(jié)果

為了進一步探究各個因素對評價指標的影響，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出軸向流速均勻度、加權(quán)平均角和水力損失隨各個因素水平的變化曲線，結(jié)果如圖1—3所示。由圖中可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著進水流道長度和轉(zhuǎn)彎半徑的增大，進水流道的軸向流速均勻度以及速度加權(quán)平均角會逐漸上升，但是其上升的趨勢會逐漸減弱。究其原因，主要是進水流道的轉(zhuǎn)彎半徑會直接控制流道斷面的面積，半徑越大則流道過流斷面的面積也越大。由此可見，增加泵站斜式進水流道或增加轉(zhuǎn)彎半徑可以使流道內(nèi)水流體型更為平滑。但是，如果進水流道的長度過長，則會造成水力損失的不斷增大，泵站裝置的水力性能會明顯降低[9-10]。

圖1 軸向流速均勻度隨各因素水平變化曲線

對于進水流道進口寬度而言，隨著進口寬度的增加，流道出口軸向流速分布均勻度和速度平均加權(quán)角的變化不大。但是，進水流道的水力損失會逐步減小。究其原因，主要是泵站進水流道進口段平均流速不變的情況下，進口寬度的增大就意味著進口高度的減小，這必然會導致流道邊緣線傾角的減小，而流道彎曲段水流轉(zhuǎn)角也會減小。

圖2 速度加權(quán)平均角隨各因素水平變化曲線

圖3 水力損失隨各因素水平變化曲線

流道進口喉管高度對泵站進水流道的水力性能也存在一定的影響，在本文的計算范圍內(nèi)，隨著進水流道進口高度的增加，流道出口的軸向流速均勻度以及流速加權(quán)平均角會略有增加，其變化會隨著進口喉管高度的增加而趨于平緩。且進口流道的高度為2.30m時裝置的水力損失最小。究其原因，主要是喉管高度的增大可以加大流道彎曲段在立面方向的調(diào)整空間，使水流得到有效的調(diào)整，而接近流道出口的水流流態(tài)會更為均勻。但是，當喉管高度進一步增加時，該部位過流面積會增大，造成水流不能均勻收縮，因此水力損失反而會有所增大。

綜合計算結(jié)果，利用綜合頻率分析法分析各個影響因素的最大值，最終確定進水流道參數(shù)的最優(yōu)組合為L4B1H4D4，也就是選擇進水流道長度11.3m、進水流道進口寬度5.0m、進水流道喉部高度2.40m、進水流道轉(zhuǎn)彎半徑3.05m。通過對最優(yōu)組合的計算，其在設(shè)計工況下的軸向流速均勻度為94.82%，速度加權(quán)平均角為84.62°，取得了良好的優(yōu)化效果，完全可以滿足工程設(shè)計要求。

4 結(jié)語

此次研究以某灌區(qū)泵站重建工程為例，利用模型試驗的方式探討了泵站進水流道的長度、進口寬度、喉部高度以及轉(zhuǎn)彎半徑4個主要參數(shù)對泵站進水流道水力學性能的影響，并以研究結(jié)果為依據(jù)提出了最優(yōu)設(shè)計方案。研究成果不僅可以為泵站工程設(shè)計和建設(shè)提供有益的借鑒和思考，也可以對相關(guān)類似工程的設(shè)計和研究提供借鑒。當然，此次研究僅考慮了軸向流速均勻度、流速加權(quán)平均角以及水力損失3個主要指標。但是，隨著泵站工程質(zhì)量要求的不斷提高，噪聲和振動也成為重要的評價指標，在今后需要綜合考慮更多評價指標，獲得更為科學和準確的結(jié)果。