泵站进水池超低水位下组合整流方案与验证

高传昌，曾新乐，解克宇，唐林钧



泵站进水池超低水位下组合整流方案与验证

高传昌1，曾新乐1，解克宇2，唐林钧1

（1. 华北水利水电大学电力学院，郑州 471100；2. 国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，杭州 311500）

泵站在超低水位下运行时，将引起泵站进水水流流态恶化，危及泵站的安全稳定运行。为了解决这一问题，该文通过对黄河下游田山一级泵站在进水池超低水位下运行时存在的严重不良流态及其对机组造成的危害进行了分析，提出了在进水池设置导流台、水下消涡板和W型后墙导流墩的组合整流措施，应用三维数值计算方法对进水池的水流流态和该组合整流措施下的整流效果进行了数值模拟，并采用透明的进水池模型对数值模拟结果进行了检验。数值计算和模型试验结果表明：组合整流措施消除了进水池表面、池底、边壁的漩涡、回流以及死水区，进水池的水流流态和进水喇叭口的轴向速度分布得到了有效的改善。研究成果可为超低水位下运行的泵站提供参考。

泵；计算机仿真；模型；进水池；超低水位；水流流态；整流措施；试验

0 引 言

泵站是农业水利工程的重要组成部分，在农业灌溉、抵御洪水、城镇供水、流域调水等方面发挥着极其重要的作用。2002年以来，黄河小浪底调水调沙，实现了黄河下游主槽全面冲刷，主河槽河底高程平均降低1.85 m[1]，导致同等流量下的黄河水位显著下降，造成黄河下游部分提水泵站的引水条件发生了变化，使泵站进水池水位不满足水泵进水管口的最小淹没深度或临界水深的要求，水泵处于超低水位（进水池水位低于设计低水位）下运行，引起进水池水流流态恶化，诱发水泵汽蚀、机组振动和水泵效能下降等一系列问题的发生，严重时机组将无法工作。故研究泵站在进水池超低水位下运行时的进水池水流流动状况，分析影响进水水流流态的主要因素，提出一种能够使泵站在进水池超低水位下安全稳定运行的进水池组合整流措施，迫在眉睫。

泵站进水池的主要作用是为水泵提供良好的吸水条件，要求进水池中的水流流速分布均匀、无漩涡和无回流。为此，学者们对进水池水流流态及其影响因素进行了大量的研究。Denny[2]对进水池内的进气漩涡进行了系统的试验研究，何耘[3]就进水池的漩涡类型、影响因素和漩涡控制等进行了研究，并根据表面漩涡的强弱程度将其分成6种类型，文献[4-11]就进水池的悬空高度、淹没深度、后墙距、池体形状、池宽、池长和进水管的相对位置等对进水池流态的影响进行了研究，并给出了相应几何尺寸的取值范围。Constantinescu等[12]发展了三维数值计算方法，并制作软件用于进水池流动模拟，国内外学者运用CFD和PIV技术对进水池内的水流流场、漩涡产生的状况及喇叭管进口流态进行了数值计算和测试分析[13-25]。许多学者基于进水池水流流动规律，在进水池采用了导水锥[26-29]、导流墩[30]和立柱、底坎、压水板[31-32]等不同的整流措施，有效的改善进水池水流流态。资丹等[33]在改善大型泵站进水池流态方面采用了组合式导流墩，取得了良好的效果。这些整流措施主要是针对泵站进水池设计或运行不合理形成的各种不良流态而设置的，实际应用已证明能够有效地改善进水池水流流态。在进水池超低水位运行的泵站中，采用某种整流措施或者组合整流措施能否改善进水池流态尚未研究，所以必须寻求一种有效的组合整流方法以改善进水池流态，提高进水池内水流的均匀度，满足水泵平稳均匀的吸水要求。

本文以黄河下游田山引黄一级泵站为研究对象，采用数值模拟和试验研究相结合的方法，开展泵站进水池超低水位组合整流方法的研究，分析组合整流技术在改善进水池超低水位水流流态的作用与效果，以及为同类泵站的设计改造提供参考。

1 田山一级泵站概况

田山一级泵站位于济南市平阴县内，直接从黄河提水。泵站自1971年运行以来，主要为田山灌区（设计灌区面积2.11万hm2）供水。近些年随着济南市经济社会的发展，田山一级泵站已由原来单一的农业供水模式转变为现在的工业、农业、居民生活、生态和区域补水等多元化供水模式，供水量大幅度提升，2012年以前年均提水约700万m3，增加到现在年均提水5 000多万m3。

田山一级泵站包括进水闸、前池、进水池、泵房、出水池等。总体布置为沿黄河两岸布置6孔进水闸，进水角度90°即垂直进水，进水闸后接前池，前池为湿室型泵房，泵房后压力出水管与进水池连接。泵站共安装12台轴流泵，其中型号为900ZLB2.4-4的3台，36ZLB-100的8台和36ZLB-85的1台，泵站设计扬程7.7 m，设计流量30 m3/s，装机容量2 670 kW，水泵安装高程32.6 m。该泵站的进水池位于泵房下部，且为开敞式矩形进水池，中间用隔墩分成左右对称的单泵进水池，2台水泵合用一孔进水闸。进水池池长为6.72 m，单泵进水池池宽为3.3 m，池底高程30.4 m，进水池设计水位34.3 m，最低水位33.7 m；悬空高度为1.2 m，后墙距为1.26 m；进水管直径900 mm，进水喇叭口直径1 280 mm，如图1所示。

注：P为喇叭口悬空高度；T为进水池后墙距；Y为相应截面的高程，m。

2 泵站存在的问题

田山一级泵站直接引取黄河水，因此黄河主河道的河底高程降低后，造成相同黄河流量下的黄河水位降低，泵站进水池水位也随之下降。2012年以来，每当田山一级泵站进水池水位低于进水池最低设计水位（33.7 m）时，机组会产生振动和噪声，而随着黄河水位（进水池水位）进一步降低，机组的振动和噪声越来越大，最后迫使机组停机。经工作人员检查发现，在水泵的叶轮与叶片上均出现了气蚀现象，气蚀部位表面出现蜂窝状凹坑，如图2所示。气蚀最严重时，机组运行20 d左右就导致叶片断裂，严重影响机组的正常运行。

图2 叶轮叶片汽蚀情况

3 数值计算模型及计算工况

3.1 数学模型

数值计算时，将计算区域分为引渠、前池和进水池三部分，并进行网格剖分，所有规则区域均采用六面体网格。其中，引渠部分网格数量为66万，前池为99万，进水池部分由于进水喇叭口与进水管附近流速较大，网格局部进行加密，确定为128万，最终计算区域网格数量为293万。如图3所示。

图3 田山一级泵站计算区域网格示意图

3.2 计算工况

田山一级泵站的正常设计水位为34.3 m，设计最低水位为33.7 m。而目前其进水池运行水位在33.5 m左右，为了保证机组能够在进水池能够在低于设计低水位（超低水位下）下安全稳定的运行，数值模拟选择33.2、33.0和32.8 m共3个进水池超低水位，相应的扬程分别为8.8、9.0和9.2 m，采用单泵和双泵2种运行工况，单泵的流量为水泵设计流量=2.98 m3/s，共6种模拟计算工况。

4 整流方案和计算结果分析

4.1 整流方案

田山一级泵站在超低水位下运行时，进水池出现了表面进气漩涡、池底漩涡、边壁漩涡和回流等现象。针对进水池中这些不良流态，采用在喇叭口正下方池底设置导流台，消除池底漩涡和回流；在进水管布置水下消涡板，消除了表面进气漩涡和减少凹陷漩涡的产生；通过W型后墙导流墩有效抑制了边壁漩涡和回流的产生。由此提出的一种导流台-水下消涡板-W型后墙导流墩组成的整流方案（如图4所示），改善了进水水流流态，使进水池水流均匀平稳的流向进水喇叭口[35]。具体布置如下：导流台位于喇叭口正下方的池底，其底部直径为1.5（为喇叭口直径），顶部直径为0.45，高度为0.5，边线近似为半圆弧形；水下消涡板分为前后两部分，前水下消涡板长度设置为1.2，后水下消涡板长度为1.0，水下消涡板的安装高度（距喇叭口进口边缘的距离）为0.5；W型后墙导流墩由一个中墩和2个边墩构成，中墩为等腰三角形，底边为100 mm，两腰边长为70 mm，边墩为直角三角形，两直角边分别为50和70 mm，中墩和边墩均与水下消涡板相抵，使后墙呈W型。

图4 整流方案示意图

4.2 计算结果分析

通过对田山一级泵站3个水位和单双泵两种开机组合下6种工况进行了数值计算，得到了各工况下进水池水流流态分布图。由数值模拟结果分析可知，双泵运行下的进水池流态要优于单泵运行，而且3种水位下采取整流方案后，进水池中的水流流态均得到了较大的改善，达到了预期的整流效果。因此本文仅对33.0 m水位下单泵运行的进水池流态的数值计算结果进行分析。

由于左右单泵进水池对称布置，以引渠始截面的中心线和海平面的交点为原心，设置坐标，如图1所示。选择单泵运行右侧进水池的水表面（=33.0 m，即水位33.0 m）、进水管中心剖面（=2 150 mm）、进水池右侧边壁（=3 800 mm）、进水喇叭口水平剖面（=31.6 m）、进水池池底（=30.4m）和距喇叭口中心1.5倍喇叭口直径横剖面（=15 580 mm），以及整个进水池水流流态图进行分析。

4.2.1 自由水面

图5为单泵运行时泵站水表面的流速分布图。对比整流前后可以发现，增加整流装置后，进水池表面的低速滞水区面积明显减小，进水池进水管后侧的两个对称的漩涡已被消除，仅在后墙中的导流墩处存在微小的漩涡。

图5 单泵运行时进水池表面的流速分布

4.2.2 进水池纵剖面

图6为进水池进水管中心（=2 150 mm）和进水池右侧池壁（=3 800 mm）处纵剖面水流速度分布图。由图6a可以看出，整流前进水管中心所在纵剖面存在较大面积的滞水区，喇叭口下方流线出现较大的弯折。同时，靠近边壁的纵剖面中，在后墙附近的低速滞水区出现了一大一小2个漩涡。这是喇叭口到后墙的距离较大的原因造成的，其/约为1，较通常设计最优值0.5超出一倍。而整流后的进水管中心剖面的流速分布更加合理，低速滞水区的面积明显减小，流线更为平顺；在边壁剖面，原有靠近后墙的2个漩涡已被消除，但在水下消涡板下方的低速区与高速区交界处又生成一个漩涡。

图6 进水池进水管中心和进水池右侧池壁处纵剖面流速分布

4.2.3 进水池水平剖面

图7为喇叭口所在平面（=1 200 mm）和进水池池底（=0 mm）处水平剖面的流速分布图。由图可知，整流前喇叭口所在平面流态较好，但进水池池底水流流态较为紊乱，出现了大大小小的附底漩涡，其中以进水管正下方的漩涡最为严重。主要是因为进水池中机组的悬空高度较高，池底流速低，与喇叭口下方的高速区形成较大流速梯度。增加整流措施后，喇叭口所在剖面喇叭口前的流速有所增加，导流墩附近出现了小漩涡。但进水池池底的流态改善明显，附底漩涡基本消除，滞水区面积大大减小，在边壁处有2个对称的微弱漩涡。

图7 进水池喇叭口和池底处水平剖面流速分布

4.2.4 进水池横剖面

图8为单泵运行时距进水管中心1.5倍喇叭口直径处（=15 580 mm）的进水横剖面的流速分布图。由图8a中可以看出该进水剖面流速分布不均，右侧流速大，左侧流速小，左侧出现了较大的漩涡。这是由于单泵运行时，该进水池右侧的水流直接从前池引入，水流速度较高，而进水池左侧的水流一部分是从相邻的进水池引入，该部分水流速度低，两部分水流在单泵运行进水池左侧边壁处混合后形成流速较低的水流，该进水池水流右侧流速大于左侧流速，存在较大流速梯度，因此在流速较低的进水池左侧形成了漩涡。但增加整流措施后，可以明显看到，该剖面上的漩涡已消失，整个断面上的流速分布更加合理，整流效果明显。

图8 距进水管中心1.5倍喇叭口直径处进水池横剖面流速分布

4.2.5 进水池水流流态分布

图9给出整流前后进水池的速度云图以及流线图。由图9a可知，在无整流措施条件下，进水池后墙附近有较大范围的滞水区，且在边壁附近出现了2个漩涡，喇叭口正下方也出现了一个附底漩涡。整个进水池水流较为紊乱，流速分布不均匀。图9b是实施整流措施后进水池的速度云图以及流线图。原位于池底的附底漩涡已被消除，喇叭口下方的水流均匀稳定。进水池中的低速滞水区面积明显减小，喇叭口边壁附近滞水区近乎完全消失。靠近喇叭口边壁附近水流流态改善明显。

图9 不同整流措施下的速度云图和流线图

4.2.6 进水喇叭口轴向流速分布

整流前受进水池漩涡的影响，喇叭口的流速分布均匀度较差，为62.3%。而经组合整流后，喇叭口轴向速度分布均匀度为87.5%，较整流前提高了25.2%，有效地改善了水泵的进水条件。

5 试验验证

5.1 模型试验及方法

模型试验仅对田山一级泵站原型进水池流态数值模拟结果进行校验，模型试验不带泵运行。田山一级泵站进水池为开敞式，水流主要受重力的支配，水力模型试验按F相似准则进行。并通过技术经济比较，选择模型比例尺为1∶10。整个模型系统包括循环水池、水位模拟装置、进水池模型、动力系统和管路组成，如图10所示。

图10 模型试验系统示意图

试验中的水位通过标尺控制，流量由电磁流量计记录。重点观测记录进水池中水面漩涡和水中漩涡、喇叭口进口和池底的预旋以及池中特征断面的流速分布，其中流速分布利用PIV系统进行测量，漩涡利用摄像机记录，预旋通过在喇叭口边缘及其正下方的池底各布置8条红纱线的方法观测，观测和记录时间不少于10 min。为使试验现象更加直观，水中漩涡采用注射稀释染料的方法处理。

5.2 进水池水流流态

根据文献[3]的研究，将漩涡分为六类，其中Ⅰ、Ⅱ型漩涡近于无漩涡，允许存在；Ⅴ、Ⅵ漩涡属于进气漩涡，容易引发空化空蚀，运行时严禁出现。

整流前，进水池流态较差，试验记录如表1，水流流态如图11a所示。其自由水面出现Ⅵ型漩涡，进水管连续大量进气；喇叭口附近的边壁出现剧烈漩涡，严重影响喇叭口附近的水流流态；喇叭口下方的池底也出现了剧烈的漩涡。试验中发现随着水位的继续下降，池底漩涡中心压力进一步降低，甚至出现空化涡带。可见，整流前泵站进水池在超低水位下运行时会出现严重漩涡问题，与数值模拟情况基本吻合。

整流后后，表面涡经由水下消涡板的消涡、整流作用，从连续长时间进气的Ⅵ型涡逐渐减弱为Ⅰ型涡直至消失。边壁涡在水下消涡板和W型后墙导流墩的共同作用也基本消失，仅是在边壁附近出现水流紊乱现象。而底涡由于导流台的占据作用，则完全消失，水流沿导流台平稳的进入喇叭口中，如图11b所示。综上所述，整流后泵站能够超低水位下稳定运行，达到了预期的效果。

表1 设计流量为33.91 m3·h-1时进水池漩涡流态记录

5.3 进水池流速分布

试验采用德国LaVision公司生产的PIV粒子成像流速测试系统，对整流前后进水池特征断面进行二维PIV技术的流场测试，对其流速分布、水流流态进行分析。测试区域如图12所示。

图13是整流前后测试断面的流速分布。对比改造前后的PIV试验结果可以发现，改造前的1、2、3断面虽水流整体向喇叭口方向流动，但局部水流方向比较紊乱，出现了回流、漩涡。而增加导流台+水下消涡板+W型后墙导流墩的组合整流措施后，断面2、3水流流态得到明显的改善，测试区域流速分布更加均匀，水流流动更加平稳，回流和漩涡得到明显的减少；仅断面1受边壁的影响，水流出现小的波动，但相比改造前，其水流流态仍有明显改善。进一步说明组合整流方案是一种有效的技术改造方案。田山一级泵站采用导流台+水下消涡板+W型后墙导流墩的组合整流措施技术改造后，经泵站数月在超低水位试运行，效果良好，机组汽蚀、振动和噪声大幅度降低，提高了机组运行效率，改善了工作人员的工作环境。

图11 整流前后33.0 m水位进水池流态

注：1、2、3代表断面。

注：箭头的方向代表水流方向；箭头的长短代表水流速度的大小。

6 结 论

通过对田山一级泵站进水池超低水位下水流流态和整流效果的数值和试验研究，可得出以下结论。

1）泵站在超低水位下运行时，进水池中水流存在较大的流速梯度，导致池中水流速度分布不均，出现了连续进气的表面漩涡、附壁漩涡和池底漩涡，以及死水区和回流区，引起进水池中水流流态严重恶化，造成机组汽蚀、振动和运行工况不稳。

2）泵站进水池设置的导流台消除了进水池池底漩涡和死水区、水下消涡板有效控制了进水池表面漩涡的产生、和W型后墙导流墩基本消除了后墙附近的漩涡、回流与死水区，使进水池中的水流流态和进水喇叭口的流速分布得到了较大改善，水流平稳地流进进水喇叭口，振动和噪声大幅度降低，保证了泵站在进水池超低水位下安全稳定的运行。

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Combined rectification scheme of pump intake sump in ultra-low water level and its verification

Gao Chuanchang1, Zeng Xinle1, Xie Keyu2, Tang Linjun1

(1.471100;2.311500)

In order to ensure the safe and stable operation of pump station when the suction sump is under the ultra-low water level (the ultra-low water level is higher than the pump installation elevation yet lower than the designed low level of the suction sump), the Tianshan first-grade pump station is taken as study object in this paper. Site research shows that when the pump station runs under the ultra-low water level in long time, the noise and vibration of the pump unit are increased, the impeller and blade are severely caved and the normal operation of pump station is affected. In order to solve these adverse effects, the combined rectification scheme is proposed, which consists of diversion platform, underwater vortex suppression plate and W type diversion pier near the back wall. The flow pattern, the velocity distribution and the axial velocity uniformity of bell-mouth inlet under the original scheme and rectified scheme were analyzed through numerical simulation and experimental research respectively. The numerical simulation results showed that violent vortexes appeared on side wall, bottom and surface of the suction sump due to the ultra-low water level and large velocity gradient in suction sump. These vortexes deteriorated the flow pattern in suction sump, and this situation was exacerbated by excessive hanging height and the distance between back wall and water inlet. But a vortex at the bottom and 2 surface vortexes of the suction sump were completely removed, and the side wall vortex of the suction sump was controlled; the area of backflow and stagnant water shrank dramatically after the combined rectifier scheme was adopted. In addition, the uniformity of axial velocity distribution of bell-mouth inlet was increased from 62.3% to 87.5%, 25.2% higher than before, which greatly improved the water flow pattern in suction sump. In the combined rectifier scheme, the diversion platform eliminated the whirlpool at the bottom of the suction sump, and improved the flow pattern between the bell-mouth and the bottom of the suction sump. The underwater vortex suppression plate effectively suppressed the intake swirl at the surface of the suction sump and weakened the vortex on the side wall. The W type diversion pier near the back wall made the back wall W type, which gave better hydraulic characteristics to the back wall and weakened the backflow and stagnant water near the back wall. It was also observed in the model test and PIV (particle image velocimetry) test that some adverse phenomena such as sixth types intake swirl on the suction sump surface and other serious vortexes on the side wall and bottom of the suction sump disappeared and the velocity distribution of specific area of the suction sump was more reasonable than the suction sump before rectification. In summary, the combined rectification scheme proposed in this paper can provide good water inlet condition for water pump unit under ultra-low water level of suction sump, and provide technical transformation basis for pumping station running under other low water level.

pumps; computer simulation; models; intake sump; ultra-low water; water flow regime; rectification measure; test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.013

TV675

A

1002-6819(2017)-23-0101-08

2017-05-08

2017-09-23

水利部公益性行业科研专项（201201085）

高传昌，教授，博士生导师，主要从事流体机械以及高效输送技术等方面的研究。Email：gcc@ncwu.edu.cn