曲振軍，鄺愛玲

(中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

1 工程背景

某泵站建成于上世紀(jì)60年代，是一座大型排灌泵站，對促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了十分重要的作用。歷經(jīng)50多年的運(yùn)行之后，泵站的病害情況日漸突出，嚴(yán)重影響到其排灌功能的發(fā)揮?；诖?，當(dāng)?shù)卣I措資金，進(jìn)行泵站的改建工程。按照工程的設(shè)計(jì)，改建后的泵站設(shè)置4臺排灌機(jī)組，同時(shí)采用擴(kuò)散角為55°的大擴(kuò)散角前池。前池在泵站設(shè)計(jì)中的重要作用和價(jià)值，一旦出現(xiàn)不良流態(tài)，就會(huì)造成水泵的進(jìn)水條件嚴(yán)重惡化，不僅會(huì)造成機(jī)組的振動(dòng)和噪聲增大，還會(huì)縮短其運(yùn)行的安全穩(wěn)定性[1]?；诖?，本文通過水工模型試驗(yàn)的方式，探討楔形導(dǎo)流墩的流態(tài)改善效果，同時(shí)進(jìn)行設(shè)置方案的優(yōu)化研究，為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供必要的支持和借鑒。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

泵站前池的水流是具有不可壓縮性的黏性液體運(yùn)動(dòng)，因此選擇模型的相似性準(zhǔn)則極為必要[2]。鑒于此次模型試驗(yàn)中的實(shí)際工程和模型之間不存在周期性的水流運(yùn)動(dòng)，因此并不需要考慮斯特勞哈爾數(shù)，由于歐拉數(shù)并非獨(dú)立量，而雷諾數(shù)在紊流情況下已經(jīng)超出一定的界限，其變化不會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，因此僅需要使模型和原型之間的佛汝德數(shù)相等即可[3]。根據(jù)有關(guān)的研究成果和資料，小尺度的模型可以用于水力試驗(yàn)研究，在此次試驗(yàn)過程中，取模型的比尺為1∶1.5。

模型試驗(yàn)按照背景工程的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了方便研究的進(jìn)行，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)一個(gè)包括引河、前池、進(jìn)水池、進(jìn)水管等結(jié)構(gòu)的大擴(kuò)散角前池模型[4]。整個(gè)模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要由閘閥、水泵、流量計(jì)、水箱以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ投螛?gòu)成。為了獲取試驗(yàn)斷面的圖象，便于觀察前池的水流流態(tài)，模型的進(jìn)水池和引渠采用厚度為8 mm的有機(jī)玻璃制作。為了防止試驗(yàn)裝置產(chǎn)生變形，需要在模型的引渠和進(jìn)水池上安裝固定框架[5]。模型的管道系統(tǒng)可以在垂直平面上形成循環(huán)回路，分別使用直徑50和100 mm的有機(jī)玻璃管和PVC管。試驗(yàn)中在每個(gè)泵對應(yīng)的管道中安裝一個(gè)電磁流量計(jì)測量流量，通過閘閥調(diào)節(jié)，保證每個(gè)泵的流量基本相同。

2.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)過程中，水流首先通過水管由水池放至水箱并自流進(jìn)引渠，利用閘閥控制水泵的流量并匯入總水管。此次試驗(yàn)中，使用可以懸浮在水流表面的懸浮粒子巖石前池表層水流的流態(tài)[6]；在模型的底部粘貼絲線演示底層水流流態(tài)，以便能夠清楚地顯示出水流中存在的回旋和漩渦[7]。為了研究和對比不同整流方案對前池進(jìn)水流態(tài)的影響，試驗(yàn)中選擇前池的關(guān)鍵斷面進(jìn)行流速的測定。由于試驗(yàn)中流速的測點(diǎn)較多，為了便于安裝和試驗(yàn)中的調(diào)節(jié)，選擇LGY-Ⅱ型直讀流速儀測量流速[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于背景工程的原始設(shè)計(jì)方案沒有采用任何前池整流措施，因此前池的水流流態(tài)相對較差。原始設(shè)計(jì)方案的模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，在上游水流進(jìn)入前池時(shí)出現(xiàn)比較明顯的水流集中現(xiàn)象，前池內(nèi)的水流難以有效擴(kuò)散，邊壁部位出現(xiàn)脫壁水流，并產(chǎn)生較大的漩渦進(jìn)入進(jìn)水池[9]。同時(shí)，前池的1號和4號進(jìn)水池前端水流速度較慢，且出現(xiàn)大范圍的漩渦區(qū)，存在較為明顯的偏流現(xiàn)象。如果前池長時(shí)間的運(yùn)行，必然會(huì)在漩渦部位產(chǎn)生比較顯著的泥沙淤積，使機(jī)組的進(jìn)水條件進(jìn)一步惡化[2]?；诖?，擬在泵站的前池內(nèi)設(shè)置楔形導(dǎo)流墩，并對導(dǎo)流墩的位置、角度和大小等參數(shù)的調(diào)整，達(dá)到改善前池流態(tài)的目的。

針對模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題，提出前池整流優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1：在前池內(nèi)設(shè)置調(diào)整水流流態(tài)的楔形導(dǎo)流墩，以引導(dǎo)池內(nèi)高速水流的擴(kuò)散。導(dǎo)流墩的高度為水深的0.2倍，頂角為55°；底寬為水泵吸水直徑D的2.4倍，以引導(dǎo)高速水流的擴(kuò)散，其設(shè)計(jì)平面尺寸和布置示意圖見圖1。對方案1進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示導(dǎo)流墩可以發(fā)揮出較好的分流作用，水流在引導(dǎo)區(qū)分成兩股高速水流，并消除了前池兩側(cè)的漩渦。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，獲取流速分布均勻度和加權(quán)平均角，見表1。由計(jì)算結(jié)果可以看出，受到楔形導(dǎo)流墩導(dǎo)流作用的影響，1#和4#進(jìn)水池的斷面流速均勻度和流速加權(quán)平均角顯著增大，但是2#和3#進(jìn)水池的這兩個(gè)指標(biāo)明顯減小。由此可見，方案1仍需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖1 方案1平面布置示意圖

表1 方案1和原方案評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

針對方案1在模型試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，將楔形導(dǎo)流墩的頂角由55°減小到30°，同時(shí)減小導(dǎo)流墩的底寬至水泵吸水直徑D的1.5倍，其余參數(shù)保持不變，獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2，其平面布置示意圖見圖2。對方案2進(jìn)行模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算獲取進(jìn)水池的流速分布均勻度和加權(quán)平均角，結(jié)果見表2。由試驗(yàn)現(xiàn)象和計(jì)算結(jié)果可以看出，由于導(dǎo)流墩頂角的減小，有效壓縮了進(jìn)水池進(jìn)口隔墩部位的底部低流速區(qū)，進(jìn)水條件有所改善。但是，由于頂角的減小造成分流作用的減弱，前池兩側(cè)的漩渦與原方案相比沒有明顯的變化，在1#和4#進(jìn)水池中仍舊出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象。從表2的計(jì)算結(jié)果來看，1#和4#進(jìn)水池的兩個(gè)指標(biāo)有一定的優(yōu)化，但是并沒有顯著的改善效果，仍需要進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

圖2 方案2平面布置示意圖

表2 方案2評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

針對優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2存在的問題和不足，將導(dǎo)流墩的頂角由30°擴(kuò)大至90°，底寬進(jìn)一步減小到1.2D，其余參數(shù)保持不變，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3，其平面布置示意圖見圖3。對方案3進(jìn)行模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算獲取進(jìn)水池的流速分布均勻度和加權(quán)平均角，結(jié)果見表3。由試驗(yàn)現(xiàn)象和計(jì)算結(jié)果可以看出，在該方案下，前池的水流可以較為平順地進(jìn)入1#和4#進(jìn)水池。

圖3 方案3平面布置示意圖

表3 方案3評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

但是，由于導(dǎo)流墩的尺寸本身偏小，因此邊壁部位出現(xiàn)了一定范圍的低速區(qū)。在2#和3#進(jìn)水池中，雖然低速區(qū)的面積有一定的減小，斷面的流速均勻度指標(biāo)有所提高，但是偏流問題仍舊比較突出。

針對方案3存在的問題，在泵站前池的進(jìn)口部位對稱設(shè)置兩個(gè)楔形導(dǎo)流墩，其水平斷面改為直角三角形形狀，其中一條直角邊平行于水流方向[10]。導(dǎo)流墩的頂角為45°，底寬為水泵進(jìn)水管直徑的1.2倍，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案4，其平面布置示意圖見圖4。對方案4進(jìn)行模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算獲取進(jìn)水池的流速分布均勻度和加權(quán)平均角，結(jié)果見表4。由計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象可知，該方案可以在不影響中間兩個(gè)進(jìn)水池流態(tài)的同時(shí)，顯著壓縮前池內(nèi)漩渦的范圍，漩渦區(qū)的面積明顯縮小，水流可以較為均勻和平順地進(jìn)入進(jìn)水池。由表4中的結(jié)果可知，1#和4#進(jìn)水池的兩個(gè)指標(biāo)顯著增大，進(jìn)水池的流態(tài)顯著改善。但是，該方案的漩渦區(qū)并沒有被完全消除，表層水流仍舊存在一定的偏流現(xiàn)象，仍未達(dá)理想的整流效果。

圖4 方案4平面布置示意圖

表4 方案4評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

針對方案4存在的問題，將兩個(gè)導(dǎo)流墩向下游方向平移，距離為進(jìn)水管直徑的2倍，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案5，見圖5。利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對方案5進(jìn)行模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算獲取進(jìn)水池的流速分布均勻度和加權(quán)平均角，結(jié)果見表5。由表5中的計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象可知，各個(gè)進(jìn)水池的兩個(gè)指標(biāo)均有所增加，其中1#和4#進(jìn)水池增加幅度較大，4個(gè)進(jìn)水池的數(shù)據(jù)比較接近。水流在進(jìn)入前池之后，可以在導(dǎo)流墩的引導(dǎo)下快速擴(kuò)散，較好地貼合在兩側(cè)的邊壁上，漩渦區(qū)完全消失，可以均勻、平順地進(jìn)入各個(gè)進(jìn)水池，取得了良好整流效果。

圖5 方案5平面布置示意圖

表5 方案5評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

在泵站的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，前池是極為關(guān)鍵的組成部分，合理地設(shè)計(jì)可以保證水流平順地進(jìn)入機(jī)組，保證機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。此次研究以某泵站改造工程為例，利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式研究和分析楔形導(dǎo)流墩對前池水流流態(tài)改善的作用和價(jià)值，并通過對其參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得最佳設(shè)置方案。最終的優(yōu)化方案可以保證水流平順地進(jìn)入前池，保證泵站機(jī)組的穩(wěn)定工作。研究成果表明，對背景工程和相關(guān)類似工程的設(shè)計(jì)建設(shè)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。當(dāng)然，此次研究沒有考慮楔形導(dǎo)流墩高度因素的影響，在今后的研究中需要做進(jìn)一步分析，以獲取更好的設(shè)計(jì)方案。