竖井式进水流道尺寸对水力性能的影响

徐 磊，陆林广，王 海，李亚楠

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

竖井式贯流泵装置将电动机、齿轮箱和轴承等设备布置在开敞式混凝土竖井中，具有结构较简单、安装检修较方便、电机通风散热条件较好和投资较省等优点，在水资源调配、水环境改善和城市防洪等领域应用广泛。

目前，在竖井式贯流泵装置的水力性能方面已有一些研究，主要是采用数值模拟和模型试验方法计算内部流动和测试水力特性。文献[1-2]结合工程建设分别对梅梁湖泵站和邳州泵站竖井式贯流泵装置性能进行了模型试验研究；文献[3-4]对竖井式贯流泵进水流道和泵装置水力性能进行了数值模拟研究，同时进行了泵装置模型试验验证；文献[5]基于三维流动数值模拟方法对竖井式贯流泵装置进、出水流道流态进行了详细剖析。从已有研究来看，关于流道设计参数对水力性能影响方面的系统研究很少，文献[6]对此仅进行了初步研究。本文基于三维湍流流动数值模拟方法，揭示流道控制尺寸对竖井式进水流道水力性能的影响规律及原因，为竖井式贯流泵装置的水力设计、合理确定控制尺寸提供理论依据。

1 基本参数

南水北调东线一期工程邳州泵站设计扬程和平均扬程分别为3.1和2.7 m，单泵设计流量33.4 m3/s，采用经天津同台测试的TJ04-ZL-06水泵模型[7]，叶轮直径3.3 m，为前置竖井式贯流泵装置。

本文借用邳州泵站基本参数，在对进水流道进行初步优化水力设计研究的基础上[6]，进一步研究流道长度、宽度和高度等3个控制尺寸对其水力性能的影响。经初步优化水力设计得到的方案(方案00)流道长度、宽度和高度分别为16.5，8.0和5.2 m，其单线图和透视图见图1。

(a) 单线图 (b) 透视图 图1 竖井式进水流道单线图和透视图(单位： mm)Fig.1 Single line drawing and perspective drawing of shaft inlet conduit (unit: mm)

2 三维流场数学模型

2.1 控制方程

竖井式贯流泵装置进水流道三维湍流流场求解的控制方程包括连续性方程、动量方程及k-ε模型中的k方程和ε方程。对此，已有很多文献进行了介绍[8-10]，本文不再描述。

2.2 边界条件

(1)进口边界。竖井式进水流道三维流场计算的进口边界设置在距流道进口断面足够远的前池中，该断面的速度可认为是均匀分布，因计算流量已知，故采用速度进口边界条件。

(2)出口边界。竖井式进水流道三维流场计算的出口边界设置在距流道出口断面2倍出口直径处，该处的流动可认为是充分发展的，故采用自由出流边界条件。

(3)固壁边界。竖井式进水流道流场计算中的前池底壁、流道和竖井边壁等均为固壁，其边界条件按固壁定律处理，对紧靠固壁处节点的湍流特性，则采用对数式固壁函数处理[11]。

图2 竖井式进水流道计算区域及网格剖分Fig.2 Calculation domain and meshes of shaft inlet conduit

(4)对称边界。计算区域中前池的侧面为对称面；前池表面为自由水面，忽略水面风引起的切应力及其与大气层的热交换，自由水面也可视为对称平面处理[11]。

2.3 计算区域及网格剖分

根据竖井式贯流泵装置进水流道边界条件的设置情况，其三维流场计算的区域包括前池、进水流道和出水直管等3个部分。采用GAMBIT软件对计算区域进行网格剖分，进水流道部分采用适应性强的非结构化网格，前池和直管部分采用混合网格及结构化网格(图2)。

3 计算结果及影响分析

(1)

(2)

式中：uti为水泵进口断面各单元的横向速度。

(3)

式中：ζc为进水流道水头损失系数；vc为进水流道进口断面平均流速。

3.1 流道长度的影响

在竖井式进水流道初步优化水力设计过程中，流道内竖井的尺寸及形状考虑了电动机、齿轮箱及轴承等设备的安装要求，同时也考虑泵站运行管理人员的巡查和操作空间要求。因此，在研究流道长度对其水力性能影响时，保持竖井的形状及尺寸、流道宽度和高度不变，流道长度的改变量全部用于竖井尾部与叶轮室进口之间的锥段，并相应调整锥段形线使其收缩变化均匀。本项研究中，流道长度的变化范围取为15.5～17.5 m，每间隔0.5 m形成一个计算方案。流道长度对其水力性能影响研究的计算方案、流道尺寸和流场计算主要结果见表1。竖井式进水流道水力性能随流道长度变化的关系见图3。

表1 不同流道长度方案时竖井式进水流道水力性能Tab.1 Main results of hydraulic performance for shaft inlet conduit with different lengths

图3 流道水力性能与流道长度的关系曲线Fig.3 Relationship between conduit hydraulic performance and conduit length

3.2 流道宽度的影响

与研究流道长度对其水力性能影响相同，在研究流道宽度对竖井式进水流道水力性能的影响时，保持竖井形状和尺寸不变，同时保持流道长度16.5 m和高度5.2 m不变。进水流道宽度的计算范围取7.0～8.5 m，每间隔0.5 m形成一个计算方案，并根据宽度的不同对流道平面方向的形线进行调整。流道宽度对其水力性能影响研究的计算方案、流道尺寸和进水流场计算主要结果见表2。竖井式进水流道水力性能随流道宽度变化的关系见图4。

表2 不同流道宽度方案时竖井式进水流道水力性能Tab.2 Main results of hydraulic performance for shaft inlet conduit with different widths

图4 流道水力性能与流道宽度的关系曲线Fig.4 Relationship between conduit hydraulic performance and conduit width

由表2和图4可以看到：流道宽度对竖井式进水流道水力性能有一定的影响，对流速分布均匀度和流速加权平均角度影响较小，对水头损失影响较大；在流道宽度计算范围内，随着宽度的增加，流道内的流速逐渐减小，流道水头损失逐渐减小，当宽度增加至8 m后，流道水头损失基本不变。产生这一现象的原因是：流道高度不变，随着流道宽度增加，流道内的流速降低，则可减少流道水头损失；宽度增加导致收缩角增大，故流速加权平均角度减小；收缩角增加导致局部水头损失增大，使总水头损失变化变缓，同时过大的宽度还将增加土建投资。

3.3 流道高度的影响

竖井式进水流道的竖井与流道同高，故在研究流道高度对竖井式进水流道水力性能的影响时，保持竖井形状和平面方向的尺寸不变，同时保持流道长度16.5 m和宽度8.0 m不变。进水流道高度的计算范围取4.2～5.7 m，每间隔0.5 m形成一个计算方案，并根据高度的不同对流道立面方向的形线进行调整。流道高度对其水力性能影响研究的计算方案、流道尺寸和进水流场计算主要结果见表3。竖井式进水流道水力性能随流道高度变化的关系曲线见图5。

由表3和图5可以看到：流道高度对竖井式进水流道的水力性能有一定的影响，对流速分布均匀度和流速加权平均角度影响较小，对流道水头损失影响较大；在流道高度计算范围内，流速分布均匀度和流速加权平均角度随高度的增加基本不变，流道水头损失减小较为明显，当高度增加至5.2 m后，高度增加对水头损失的影响趋于平缓。产生这一现象的原因是：流道宽度不变，随着高度增加，流道内的流速降低，则流道水头损失减少；当高度增加时，流道收缩角增大，流道局部水头损失增加，使总水头损失变化趋缓。

表3 不同流道高度方案时竖井式进水流道水力性能Tab.3 Main results of hydraulic performance for shaft inlet conduit with different heights

图5 进水流道水力性能与流道高度的关系曲线Fig.5 Relationship between conduit hydraulic performance and conduit height

4 竖井式进水流道的流场

图6 邳州泵站竖井式进水流道流场Fig.6 Flow field in shaft inlet conduit of the Pizhou pumping station

基于控制尺寸对竖井式进水流道水力性能影响的研究结果，根据邳州泵站工程泵房设备及闸门布置的需要，在方案00的基础上，保持锥段长度不变，将流道长度由16.5 m调整为17.395 m，并对流道进口圆弧段和竖井头部的形线作适当调整，形成邳州泵站进水流道的最终方案。

对该流道方案设计流量时的流场进行了数值计算，结果表明：流道出口的流速分布均匀度和流速加权平均角度分别为98.9%和88.7°，流道水头损失为0.064 m。计算得到的设计流量时流场见图6，可以看到：流道进口至出口的流速逐渐增大，水流对称通过竖井两侧通道并于尾部汇合；流道出口断面水流流速分布均匀且基本垂直于出口断面；流道内的水流收缩平缓均匀、流线层次分明，无任何脱流或旋涡等不良流态。

5 结 语

(1)竖井式进水流道的控制尺寸对其流道水力性能影响较为明显。

(2)流道长度、宽度和高度等3个控制尺寸的增加显著提高了竖井式进水流道的水力性能，增加至一定值后，控制尺寸的影响趋于平缓。

(3)邳州泵站竖井式进水流道方案控制尺寸取值合理，水流收缩平缓均匀、流线层次分明，流道内无任何脱流或旋涡等不良流态，水头损失小，可为水泵的高效运行提供理想的流态。

参 考 文 献：

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