王其同，張 林，孫延寧

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

箱涵式進(jìn)水流道在不加任何消渦措施下由于進(jìn)水沿程流速突變導(dǎo)致附底渦產(chǎn)生，從而影響水泵喇叭管口及水泵進(jìn)口的流速分布，易導(dǎo)致水泵振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)水泵被迫停機(jī)。文章以東湖水庫入庫泵站進(jìn)水流道的消渦裝置為研究對(duì)象，對(duì)無消渦措施方案、“L”形導(dǎo)流板方案、“十”字形導(dǎo)流板方案、導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案4種方案進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，分析當(dāng)水流流動(dòng)趨于穩(wěn)定時(shí)的流場分布，觀察消渦裝置對(duì)附底渦和附壁渦的影響，為泵房優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供依據(jù)。

1 進(jìn)水流道設(shè)計(jì)方案

1.1 基本情況

東湖水庫是南水北調(diào)東線膠東輸水干線上的重要調(diào)蓄水庫，采用泵站提水充庫，涵閘控制出庫的運(yùn)行方式。泵站進(jìn)水流道常采用有壓箱涵式進(jìn)水流道。入庫泵站安裝4臺(tái)水泵機(jī)組，其中1400HLB-9.5型立式混流泵（大機(jī)組）2臺(tái)，單機(jī)流量6.4 m3/s，功率900 kW；900HLB-12.5型立式混流泵（小機(jī)組）2臺(tái)，單機(jī)流量2.6 m3/s，功率450 kW。喇叭管口直徑D=1.75 m，喇叭管口懸空高度1.4 m，后壁距2.0 m，側(cè)壁距2.425 m。

1.2 設(shè)計(jì)方案

入庫泵站箱涵式進(jìn)水流道喇叭管口下不含任何消渦措施，如圖1（a）所示；為消除無消渦措施方案中進(jìn)水喇叭口附近的附底渦和附壁渦，在喇叭口正下方底板上設(shè)置“L”形導(dǎo)流板，稱之為”L”形導(dǎo)流板方案，如圖1（b）所示；為簡化施工流程和降低施工難度，擬在“L”形導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上再添加一塊導(dǎo)流板，垂直于“L”形導(dǎo)流板形成十字形導(dǎo)流板，十字形導(dǎo)流板的中心在喇叭口中心的正下方，垂直向?qū)Я靼宓拈L度為喇叭口直徑的0.3倍，形成十字形導(dǎo)流板方案，如圖1（c）所示；將“L”形導(dǎo)流板的順?biāo)鞣较虻目v向板進(jìn)行拆除，并在喇叭口正下方的底板上設(shè)置導(dǎo)流錐以防止附底渦和附壁渦，導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板（保留“L”形導(dǎo)流板立于進(jìn)水流道后墻上的導(dǎo)流板）達(dá)到消渦的效果，導(dǎo)流錐為直線圓錐的方案稱之為導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案，如圖1（d）所示。

圖1 進(jìn)水流道方案設(shè)計(jì)示意圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算方法

2.1 進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格剖分

東湖水庫入庫泵站流體域包括進(jìn)水流道、進(jìn)水管及消渦裝置（“L”形導(dǎo)流板、十字形導(dǎo)流板和導(dǎo)流錐），為保證計(jì)算精度，運(yùn)用ANSYS-ICEM對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)過流部件壁面進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分及局部加密。

2.2 邊界條件

在進(jìn)行CFD求解時(shí)，除了考慮求解方法還需要考慮邊界條件的合理性。進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口，即給定流動(dòng)進(jìn)口處的速度大小和方向；為使進(jìn)水口處的流速分布符合實(shí)際，在模擬時(shí)將進(jìn)水流道沿進(jìn)水反方向進(jìn)行延伸。出口邊界條件采用自由出流。自由表面采用“剛蓋”假定的邊界條件。固壁邊界條件采用壁面函數(shù)法的壁面邊界進(jìn)行處理。

3 結(jié)果分析

3.1 底部流場分析

分別以進(jìn)水流道中距離底板5 cm斷面和喇叭口正下方5 cm斷面的速度流線矢量圖觀測喇叭口附近的水流狀態(tài)，此處分3種情況來討論。1）當(dāng)?shù)装逄幱行郎u而喇叭口附近無旋渦時(shí)，此時(shí)的旋渦屬于潛在的不良流場，當(dāng)流場發(fā)生突變時(shí)，底板上的旋渦極有可能發(fā)展成有害的喇叭口吸入渦；2）當(dāng)?shù)装逄幱行郎u喇叭口附近也有旋渦時(shí)，此時(shí)的旋渦可以認(rèn)定為附底渦，屬于有害的旋渦，需要進(jìn)一步優(yōu)化流場；3）當(dāng)?shù)装逄師o旋渦而喇叭口附近有旋渦時(shí)，如果旋渦不與喇叭口連通，可以判斷這是一種無害旋流，不會(huì)引起水泵振動(dòng)。從模擬結(jié)果看出，只有導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案的底部無旋渦，流態(tài)較好，其余3個(gè)方案均存在不同程度的渦流。無消渦措施方案中喇叭口從側(cè)面將水流吸入，喇叭口下方存在明顯的渦流；“L”形導(dǎo)流板方案中喇叭口下方同樣存在明顯的渦流，另外喇叭口兩側(cè)靠近邊壁處存在兩個(gè)明顯的旋渦；“十”字形導(dǎo)流板方案中喇叭口處的渦流同樣明顯；導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案中流場改善顯著，喇叭口入口處的水流，部分從正前方直接吸入，部分繞過喇叭口從正后方吸入，正前方水流和正后方水流相遇形成旋流，可知此流場非有害旋流。

3.2 邊壁流場分析

分析4種方案下喇叭口右側(cè)距離外壁5 cm斷面和喇叭口左側(cè)距離外壁5 cm斷面處的速度流線矢量圖，可以看出4種方案均存在回流，無消渦措施方案和“十”字形導(dǎo)流板方案的回流為一個(gè)大回流和一個(gè)小回流相互作用；導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案和“L”形導(dǎo)流板方案的流場分布非常相似，都只有一個(gè)大范圍的回流，這是由于部分未被喇叭口吸入的水流在進(jìn)水流道后側(cè)形成回流。

3.3 后壁流場分析

分析4種方案下喇叭口后側(cè)距離外壁5 cm處斷面速度流線矢量圖，可以看出4種方案的流場均存在回流，無消渦措施方案和“十”字形導(dǎo)流板方案流態(tài)較為復(fù)雜，多個(gè)回流并存；“L”形導(dǎo)流板方案和導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案中由于水泵的吸力和后壁隔板的作用使得水流形成旋流，其范圍較大、流速較小。

4 結(jié)論

1）綜合進(jìn)水流道喇叭口底部流態(tài)分析、邊側(cè)流態(tài)分析及后側(cè)流態(tài)分析可以看出，導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案的消除附底渦及附壁渦的效果最明顯，但對(duì)進(jìn)水流道后壁處的回流沒有太大改善。

2）導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案中流場改善顯著，喇叭口入口處的水流，部分從正前方直接吸入，部分繞過喇叭口從正后方吸入，正前方水流和正后方水流相遇形成旋流，流場非有害旋流。

3）無消渦措施方案和“十”字形導(dǎo)流板方案流態(tài)較為復(fù)雜，多個(gè)回流并存；“L”形導(dǎo)流板方案和導(dǎo)流錐結(jié)合后隔板方案中由于水泵的吸力和后壁隔板的作用使得水流形成旋流，其范圍較大、流速較小。