高傳昌，高余鑫，李曉超

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

泵站進(jìn)水池的形式和尺寸如果不合理，不僅在水泵或進(jìn)水管周圍產(chǎn)生環(huán)流，而且容易在自由水面產(chǎn)生進(jìn)氣漩渦，水下也容易產(chǎn)生附壁漩渦。這些環(huán)流和漩渦不僅要消耗能量，更嚴(yán)重的是，當(dāng)空氣或渦帶進(jìn)入水泵后，水泵性能變壞，效率降低，甚至?xí)鹚闷g，機(jī)組發(fā)生強(qiáng)烈振動而無法工作[1]。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者就引起進(jìn)水池漩渦的因素做了大量研究：郭苗[2]基于LBM數(shù)值模擬和試驗結(jié)果研究了后壁距、臨界淹沒水深、水中空氣含量對進(jìn)水池流態(tài)的影響，并模擬出了進(jìn)水池內(nèi)部的漩渦結(jié)構(gòu)及演化過程；宋希杰[3]采用V3V測量技術(shù)和VOF方法研究了進(jìn)水池內(nèi)的漩渦流動，分析了附底漩渦演化過程中的動力學(xué)特性，提出新的消渦抑渦措施；張德勝等[4]采用大渦模擬和VOF方法探討了泵站進(jìn)水池表面渦和底渦的形成和演化的基本機(jī)制，并通過PIV試驗進(jìn)行驗證；吳鵬飛[5]基于數(shù)值模擬和模型試驗的方法，研究表面吸氣渦動態(tài)過程和特性，揭示了表面吸氣渦形成及其抑制機(jī)理；文獻(xiàn)[6-16]分別采用V3V技術(shù)、PIV技術(shù)、數(shù)值模擬方法研究了自由表面漩渦的流場結(jié)構(gòu)，得到自由表面漩渦的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[17-23]通過理論分析、數(shù)值計算、模型試驗方法研究了進(jìn)水口淹沒深度對漩渦的影響，得到漩渦強(qiáng)度與淹沒深度的關(guān)系。這些研究主要關(guān)注漩渦流場結(jié)構(gòu)的測量、進(jìn)水口淹沒深度、漩渦形成機(jī)理、進(jìn)水池的體型優(yōu)化等方面，而對于進(jìn)水流速對表面漩渦的影響研究甚少。

以黃河下游田山引黃一級泵站為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法，就不同進(jìn)水流速對泵站進(jìn)水表面漩渦的影響進(jìn)行研究。表面漩渦判別采用美國Alden實驗室的6型漩渦分類，即：Ⅰ型渦為表面渦紋；Ⅱ型渦為表面漩渦；Ⅲ型渦為染色漩渦；Ⅳ型渦為挾物漩渦；Ⅴ型渦為間斷吸氣漩渦；Ⅵ型渦為連續(xù)吸氣漩渦[24]。由于Ⅰ型和Ⅱ型漩渦對水泵性能影響甚微，工程上允許存在，因此本文僅對Ⅲ型以上漩渦進(jìn)行判別。

1 田山一級泵站概況及存在問題

1.1 泵站概況

圖1 泵站進(jìn)水建筑物布置及特征截面

1.2 存在問題

小浪底水庫多次調(diào)水調(diào)沙后，黃河下游主河槽河底高程大幅降低，黃河水位的顯著下降使得田山一級泵站的引水水位低于最低水位(33.70 m)，進(jìn)水管口的淹沒深度降低，水泵在超低水位下運行，引起進(jìn)水池流態(tài)惡化和空化條件的改變，導(dǎo)致進(jìn)水喇叭管和水泵葉輪汽蝕嚴(yán)重、機(jī)組振動和水泵性能下降等一系列問題，甚至迫使機(jī)組停機(jī)。檢查發(fā)現(xiàn)，水泵的葉輪與葉片上均出現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象，氣蝕部位表面出現(xiàn)蜂窩狀凹坑，見圖2。

圖2 葉輪和葉片汽蝕情況

2 數(shù)值計算模型和計算方案

2.1 數(shù)值計算模型

采用NX UG 10.0軟件建立由引渠、前池、進(jìn)水池、進(jìn)水池隔墩、喇叭管和進(jìn)水管構(gòu)成的數(shù)值計算物理模型，模型比尺1∶10，泵站計算物理模型見圖3。

圖3 模型

2.2 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性分析

計算區(qū)域分為引渠、前池、左側(cè)進(jìn)水池、右側(cè)進(jìn)水池、左側(cè)進(jìn)水管和右側(cè)進(jìn)水管6部分，采用Fluent Meshing將模型剖分為適應(yīng)性更好的混合網(wǎng)格(邊界為多面體網(wǎng)格，內(nèi)部為六面體網(wǎng)格)，其中,網(wǎng)格最小尺寸為3，最大尺寸為6，邊界層為10層，增長率為1.1。由于SSTk-ω湍流模型避免了構(gòu)造復(fù)雜的非線性壁面衰減函數(shù)，降低了對近壁區(qū)網(wǎng)格y+的要求，可較好地預(yù)測帶有逆壓梯度的邊界層分離問題[25]，因此，計算過程中近壁區(qū)網(wǎng)格自動滿足SSTk-ω模型要求。無關(guān)性分析后確定網(wǎng)格數(shù)量為390.7萬個，其中：引渠部分28.3萬個，前池163.8萬個，左、右側(cè)進(jìn)水池和進(jìn)水管分別為90.3萬、89.5萬、9.4萬和9.4萬個，見圖4。

圖4 模型網(wǎng)格數(shù)目無關(guān)性分析

水力損失選擇進(jìn)口斷面為引渠進(jìn)口,出口斷面為進(jìn)水管出口進(jìn)行計算，見圖3和式(1)。

(1)

2.3 模型及邊界條件

計算采用非定常的SSTk-ω湍流模型和VOF模型、SIMPLE算法，離散方法為有限體積法，動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。引渠進(jìn)口為速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)水管出口為速度出口，出口1(空氣域上部)為壓力出口(其大小為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，壁面為無滑移壁面。

2.4 數(shù)值計算方案

為了研究田山一級泵站不同進(jìn)水流速進(jìn)水表面漩渦特性，選擇9種流速工況進(jìn)行數(shù)值模擬，計算模型進(jìn)出口速度值見表1。

如表1所示，觀察組56例患者中，25例治療后基本痊愈，占比44.64%，16例治療后顯著有效，占比28.57%，8例治療后有效；占比14.29%，總有效率達(dá)到87.50%；對照組的56例患者中，18例治療后基本痊愈，占比32.14%，12例治療后顯著有效，占比21.43%，10例治療后有效，占比17.86%，總有效率達(dá)到71.43%。兩組總有效率之間比較有顯著性差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 原模型流速對照

2.5 特征截面的選取

選擇右側(cè)進(jìn)水池的1-1截面(自由水面)、2-2截面(喇叭管進(jìn)口水平面)、3-3截面(喇叭管進(jìn)口中心縱截面)、4-4截面(進(jìn)水池右部中間縱截面)、5-5截面(進(jìn)水池右部邊壁縱截面)和6-6截面(喇叭管進(jìn)口后部邊緣橫截面)為特征截面，見圖1。對特征截面進(jìn)行流態(tài)和渦量分析。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 特征截面流態(tài)分析

3.1.1進(jìn)水池水平剖面流態(tài)分析

圖5為進(jìn)水池自由水面(1-1截面)和喇叭管進(jìn)口水平面(2-2截面)的流線和流速分布。在不同進(jìn)水流速v時，1-1截面的流速分布呈現(xiàn)出內(nèi)部大于邊壁，2-2截面的流速分布為喇叭管進(jìn)口附近最大且后墻與喇叭管進(jìn)口間流速變化梯度明顯。流線分布均表現(xiàn)為進(jìn)水池前部平順、后部紊亂，漩渦均在喇叭管與后墻間的區(qū)域，2個截面產(chǎn)生的漩渦數(shù)量分別為4～5和3～4個，且隨著進(jìn)水流速的減小漩渦數(shù)量減少、強(qiáng)度降低。

圖5 在不同進(jìn)水流速時進(jìn)水池水平截面流速和流線分布

3.1.2進(jìn)水池縱剖面流態(tài)分析

圖6為進(jìn)水池喇叭管進(jìn)口中心縱截面(3-3截面)、進(jìn)水池右部中間縱截面(4-4截面)、進(jìn)水池右部邊壁縱截面(5-5截面)的流線和流速分布。3-3截面的高流速區(qū)域位于喇叭管進(jìn)口附近，隨著進(jìn)水流速的增加區(qū)域增大，流線從前后部向喇叭管進(jìn)口集中。4-4截面在喇叭管進(jìn)口高度附近及前部形成高流速區(qū)域，流線起始于前部聚集于進(jìn)水喇叭管口高度附近，在底壁和后墻夾角處形成水中漩渦。5-5截面的高流速區(qū)域位于喇叭管進(jìn)口高度附近的后墻和喇叭管之間區(qū)域，受邊壁效應(yīng)影響，流線分布比較紊亂，在底壁、右側(cè)邊壁和后壁的夾角處形成1個附壁渦。隨著進(jìn)水流速增大，4-4和5-5截面漩渦產(chǎn)生位置不變，水中漩渦強(qiáng)度變化。

圖6 在不同進(jìn)水流速時進(jìn)水池縱截面流速和流線分布

3.1.3進(jìn)水池橫剖面流態(tài)分析

圖7為進(jìn)水池喇叭管進(jìn)口后部邊緣橫截面(6-6截面)的流線和流速分布。該截面的高流速區(qū)域位于喇叭管進(jìn)口高度附近，且隨著進(jìn)水流速的增加區(qū)域增大，流線分布紊亂；在喇叭管口下方、側(cè)底壁夾角及底壁產(chǎn)生2～3個附底渦和附壁渦，漩渦的位置變化不大，但水中漩渦強(qiáng)度隨著進(jìn)水流速增大有所增強(qiáng)。

圖7 在不同進(jìn)水流速時進(jìn)水池橫截面流速和流線分布

3.2 漩渦及渦量分布

3.2.1漩渦分布

在不同進(jìn)水流速(v)下進(jìn)水池和進(jìn)水管形成的漩渦見圖8，漩渦分布采用Q準(zhǔn)則進(jìn)行體現(xiàn)。由圖8可知：進(jìn)水流速在0.101 9～0.127 0 m/s時，水面產(chǎn)生波動，形成的氣泡浸入水體較深且間歇性地進(jìn)入喇叭管口，形成Ⅲ、Ⅳ型渦；流速在0.152 9 m/s時，水面波動明顯，形成的氣柱浸入水體的深度達(dá)到喇叭管口附近，氣柱間歇性地進(jìn)入喇叭管口，形成Ⅴ型渦；流速在0.164 7～0.178 4 m/s時，水面波動劇烈，形成的氣體連續(xù)地進(jìn)入喇叭管口，形成Ⅵ型渦?？梢姡M(jìn)水池形成的表面漩渦強(qiáng)度隨著進(jìn)水流速增加逐漸增強(qiáng)。

圖8 在不同進(jìn)水流速時表面漩渦分布

3.2.2渦量分布

圖9為喇叭管進(jìn)口水平面(3-3截面)渦量分布圖。在渦量為-30～40 s-2，不同進(jìn)水流速下，截面最大渦量值均位于進(jìn)水管與后部邊壁之間，隨著流速增大，渦量值最大區(qū)域更加明顯、數(shù)量增多或集中，漩渦強(qiáng)度不斷增大。

圖9 在不同進(jìn)水流速時喇叭管進(jìn)口水平面渦量

3.3 進(jìn)水流速與漩渦類型關(guān)系

對9種流速泵站模型進(jìn)水池表面漩渦特性進(jìn)行分析，得到進(jìn)水池表面漩渦類型與進(jìn)水流速的關(guān)系為：模型進(jìn)水流速在0.101 9～0.127 0 m/s (原型進(jìn)水流速0.322 5～0.401 6 m/s)時，漩渦類型為Ⅲ、Ⅳ型渦；模型進(jìn)水流速在0.152 9 m/s(原型進(jìn)水流速0.483 5 m/s)時，漩渦類型為Ⅴ型渦；模型進(jìn)水流速在0.164 7～0.178 4 m/s(原型進(jìn)水流速0.520 8～0.564 2 m/s)時，漩渦類型為Ⅵ型渦。

4 試驗驗證

4.1 模型試驗與方法

通過模型試驗方法對田山一級泵站進(jìn)水物理模型數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，試驗研究為不帶泵的研究。田山一級泵站進(jìn)水池中水流主要受重力支配，試驗按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行，模型比尺為1∶10。試驗系統(tǒng)包括：引渠、前池、進(jìn)水池、進(jìn)水管、模擬黃河水位水池、循環(huán)水池、連接管路、真空泵及離心泵，見圖10。試驗中采用的測量儀器見表2。

圖10 模型試驗系統(tǒng)

表2 測量儀器參數(shù)

4.2 不同流速的試驗研究

試驗采用3臺高性能DV同時進(jìn)行多角度拍攝和錄像，不同進(jìn)水流速的模型進(jìn)水漩渦流態(tài)見圖11。由圖11可知，不僅產(chǎn)生了表面漩渦，還產(chǎn)生了水中渦(附底渦和附壁渦)：進(jìn)水流速為0.101 9 m/s時，在進(jìn)水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)強(qiáng)度時大時小的Ⅲ、Ⅳ型渦現(xiàn)象；流速為0.108 8 m/s時，出現(xiàn)2個對稱的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.109 8 m/s時，長時間出現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ型渦現(xiàn)象；流速為0.117 2 m/s時，出現(xiàn)1個顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.118 9 m/s時，出現(xiàn)1個更顯著的Ⅳ型渦，偶爾出現(xiàn)Ⅴ型渦；流速為0.127 0 m/s時，出現(xiàn)1個更顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.152 9 m/s時，出現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ型渦和Ⅵ型渦；流速為0.164 7 m/s時，出現(xiàn)2個Ⅵ型渦；流速為0.178 4 m/s時，長時間出現(xiàn)Ⅵ型渦。

圖11 在不同進(jìn)水流速時的模型進(jìn)水漩渦流態(tài)

4.3 試驗與模擬結(jié)果的對照

試驗研究中漩渦類型與數(shù)值模擬結(jié)果的對照見表3。由表3可知，試驗研究結(jié)果很好地驗證了數(shù)值模擬結(jié)果，在不同進(jìn)水流速時進(jìn)水池產(chǎn)生的漩渦類型不同。對泵站工程來說，允許Ⅰ、Ⅱ型漩渦存在，避免產(chǎn)生Ⅲ、Ⅳ型漩渦，不允許存在Ⅴ型及以上漩渦，因此要保證進(jìn)水流態(tài)良好，進(jìn)水流速值不應(yīng)大于0.322 2 m/s。

表3 試驗研究與數(shù)值模擬漩渦類型對照

5 結(jié) 論

對田山一級泵站9種進(jìn)水流速的表面漩渦特性進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗研究，得出如下結(jié)論：

泵站進(jìn)水水深不變，進(jìn)水流速為0.322 2～0.564 2 m/s時，泵站表面漩渦的強(qiáng)度隨進(jìn)水流速的增大而增強(qiáng)。流速在0.322 2～0.401 6 m/s時，出現(xiàn)表面下凹的Ⅲ、Ⅳ型漩渦；流速在0.483 5 m/s時，出現(xiàn)表面下凹較深的間斷進(jìn)氣Ⅴ型漩渦；進(jìn)水流速在0.520 8～0.564 2 m/s時，出現(xiàn)漩渦中心為貫通的連續(xù)進(jìn)氣的Ⅵ型渦。

保證泵站開敞式進(jìn)水池進(jìn)水流態(tài)良好，進(jìn)水流速不應(yīng)大于0.322 2 m/s。

研究還表明，進(jìn)水池不僅產(chǎn)生了表面漩渦還產(chǎn)生了水中漩渦，水中漩渦產(chǎn)生的類型、強(qiáng)度、機(jī)理與進(jìn)水流速的關(guān)系，需要進(jìn)一步深入研究。