不同水位泵房进水流道堵塞对流速分布的影响

胡良明，柴端伍

（1．郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州450001；2．中国电建西北勘测设计研究有限公司，陕西西安710065）

泵站是跨流域与区域调水、农业灌溉与排涝、城市供水与排水等领域的重要基础设施；而我国是世界上泵站数量最多、规模最大、类型最丰富的国家［1］。泵房进水流道的流速分布状态直接影响泵站的安全及高效运行。近年来国内许多学者对泵站的进水流道流速分布进行了研究，李礼等［2］研究了泵房吸水喇叭口两种不同的导流阻涡设施对其流速分布的影响；高学平等［3］利用多岛遗传算法研究了不同类型的侧式进、出水口体型对其流速分布不均匀系数、流量不均匀系数和总水头损失系数的影响；徐磊等［4］研究了竖井式进水流道长度、宽度、高度对进水流道流速分布、流速加权平均角度及水头损失的影响；王紫阳等［5］研究了加装整流罩对泵站进水流道出口水流平均偏流角度的影响；叶鹏等［6］研究了进水流道不同的后壁形状对出口断面的流速均匀度、流速加权平均角度的影响；陈松山等［7］研究了30°斜式进水流道对不同横断面出口断面的流速均匀度以及速度加权平均角度的影响。目前对泵站进水流道堵塞之后在不同水位条件下的流速分布状况还未进行深入的研究，为此，笔者采用物理模型试验手段，研究不同水位条件下进水流道板框滤网完全堵塞之后，对泵房进水流道流速分布的影响，为泵房优化设计及安全运行提供依据。

1 工程概况

某核电站供水泵房以海水为水源。泵房由两条对称的进水流道组成，每条进水流道上沿水流方向依次布置板框滤网、滤网反冲洗泵、海水淡化取水泵、厂用水泵、循环水泵（以下简称循泵）。泵房进水流道物理模型布置见图1。

本文主要研究在100 a一遇低潮位、平均低潮位、100 a一遇高潮位3种水位条件下泵房进水流道单侧完全堵塞时的流速分布状况。

图1 模型平面布置示意（单位：cm）

2 物理模型设计

2．1 模型比尺及模拟范围

根据国内有关规范［8-11］，参照国外类似试验规程［12］，模型设计以重力相似为主，泵房流道模型选用1∶8的正态模型，其中循泵、海水淡化水泵、滤网反冲洗水泵、厂用水泵单泵的原型、模型流量见表1，水位见表2。

表1 原型、模型流量换算

表2 原型、模型水位换算 m

模型吸水喇叭口处的雷诺数：

型韦伯数：

式中：D为水泵吸水喇叭口直径，D＝2．0 m；u为对应吸水喇叭口处平均轴向流速，u＝1．41 m／s；v为水的运动黏性系数，当模型水温约为20℃时，v＝1．01×10-6m2／s；σ为水的表面张力系数，σ＝0．072 8 N／m；ρ为水的密度，ρ＝1 000 kg／m3。

由式（1）、式（2）可知模型的雷诺数、韦伯数远大于相关标准［8］中提出的Re＞6．0×104、We＞240 的要求。

泵房进水流道原型糙率为 0．012～0．014，按比例相应的模型流道的糙率为0．008 5～0．009 9，模型采用一级透明有机玻璃（糙率为0．008 8）进行加工制作，符合糙率要求。

模拟范围包括：取水隧洞、汇水池、板框滤网、前池、旋网反冲洗泵、海水淡化水泵、厂用水泵、循泵及其之间的流道。

2．2 测量设备

模型循泵流量采用电磁流量计测量，测量误差＜0．5%，海水淡化水泵、滤网反冲洗水泵、厂用水泵流量采用玻璃转子流量计测量，测量误差＜1．5% 。涡角采用中国水利水电科学研究院研制的旋度计测量。流速测量采用三维超声多普勒流速仪，测量误差范围为测量值的±0．5%。模型整体布置见图2。

图2 模型整体布置

2．3 流速测点布置

流速测点布置在流道循泵吸水管中心线上游1．5D（D为循泵吸水喇叭口直径）断面、3D断面处，每一断面各布设5根水平测线，分别为1、hc（与水泵吸水喇叭口处于同一高度）、2、3、4，每根水平测线等距布设5个测点，分别为 A1、A2、A3、A4，A5，B1、B2、B3、B4、B5（A为1．5D断面，B为3D断面）；进水池断面等距布设7个水平测点，分别为 C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7。 测点布置见图3。

图3 测点布置示意（单位：cm）

3 试验结果及分析

本试验研究了在3种不同的水位条件下，且进水流道取水流量相同，均为2台循泵、2台厂用水泵（两条流道各开1台）、2台滤网反冲洗水泵、1台海水淡化水泵（只在左侧流道开启）开启的工况下，不同水位对进水流道单侧完全堵塞后的流速分布状况的影响。

3．1 100 a一遇低潮位流速分布

泵房进水流道内的控制水位为0．754 m时，循泵中心线上游1．5D断面、3D断面及进水池断面垂向流速分布分别见图4、图5、图6。

图4 100 a一遇低潮位1．5D断面流速分布

图5 100 a一遇低潮位3D断面流速分布

图6 100 a一遇低潮位进水池断面流速分布

由图4、图5、图6可以看出，在100 a一遇低潮位时，若左侧进水流道板框滤网完全堵塞，则左侧进水流道1．5D、3D断面在靠近水面处的流速明显增大。产生这一现象的原因是：左侧进水流道板框滤网堵塞之后与不堵塞时相比，其进水流道宽度减少了一半，其过流面积减小，故流速增大。进水池断面在左侧流道板框滤网完全堵塞之后，流速由对称分布变为不对称分布。产生这种现象的原因是：左侧进水流道板框滤网堵塞时，只有左侧流道开启的一台海水淡化水泵对流速分布产生影响，此时循泵旋度计旋转114圈，涡角为8．71°＞ 5°，不能满足循泵规范运行要求［8］。

3．2 平均低潮位流速分布

进水流道内的控制水位为0．915 m时，循泵中心线上游1．5D、3D断面及进水池断面垂向流速分布分别见图 7、图 8、图 9。

图7 平均低潮位1．5D断面流速分布

图8 平均低潮位3D断面流速分布

图9 平均低潮位进水池断面流速分布

由图7、图8、图9可以看出，在平均低潮位时，若左侧进水流道板框滤网堵塞，则左侧进水流道1．5D、3D断面在靠近水面处的流速增大，但与100 a一遇低潮位相比，增大幅度明显减小。进水池断面在左侧流道板框滤网堵塞后流速大体呈对称分布，与100 a一遇低潮位相比对称性明显增强。产生这一现象的原因是：进水流道水位升高，过流面积增大，流速减小，更加有利于进水流道的流速分布状况的调整。此时循泵旋度计旋转27圈，涡角为2．08°＜5°，满足循泵规范运行要求［9］。

3．3 100 a一遇高潮位流速分布

进水流道内的控制水位为1．359 m时，因模型在100 a一遇高潮位时封堵了1．5D断面的测速口，故只测量了3D断面与进水池断面的流速分布，见图10、图11。

由图10、图11可以看出，在100 a一遇低潮位时，若左侧进水流道板框滤网堵塞，与前两种水位相比，则左侧进水流道3D断面在靠近水面处的流速增大幅度最小，进水池断面在左侧流道板框滤网堵塞后，流速分布对称性增强。产生这一现象的原因是：进水流道水位最高，过流面积最大，流速最小，更加有利于进水流道的流速分布状况的调整。此时循泵旋度计旋转11圈，涡角为 0．85°＜ 5°，满足循泵规范运行的要求［8］。随着进水流道水位的上升，旋度计旋转圈数越来越小，涡角越来越小。

3．4 3种水位的水力性能

进水流道的水力性能指标包括流速分布不均匀度V、流速加权平均角度θ(［13］，流速不均匀度、流速加权平均角度理想值分别为1与90°。3种水位下其水力性能特征见表3、表4、表5。

图10 100 a一遇高潮位3D断面流速分布

图11 100 a一遇高潮位进水池断面流速分布

表3 100 a一遇低潮位的流速分布特征

表4 平均低潮位的流速分布特征

表5 100 a一遇高潮位的流速分布特征

由表3、表4、表5可以看出，左侧流道板框滤网完全堵塞后，在100 a一遇低潮位时，左侧流道1．5D断面流速不均匀度降低了16．1%，流速加权平均角度降低了6．7%；3D断面流速不均匀度降低了30．8%，流速加权平均角度降低了17．4%；进水池断面流速不均匀度降低了15．5%，流速加权平均角度降低了28．8%。在平均低潮位时，左侧流道1．5D断面流速不均匀度降低了2．0%，流速加权平均角度降低了3．3%；3D断面流速不均匀度降低3．4%，流速加权平均角度降低了7．4%；进水池断面流速不均匀度降低10．9%，流速加权平均角度降低了2．3%。在100 a一遇高潮位时，堵塞之后3D断面流速不均匀度降低了1．5%，流速加权平均角度降低了1．0%；堵塞之后进水池断面流速不均匀度降低了8．3%，流速加权平均角度降低了2．2%。

4 结 论

（1）左侧进水流道板框滤网完全堵塞后，在100 a一遇低潮位时不能满足循泵运行要求，随着进水流道内水位上升至平均低潮位或100 a一遇高潮位，均能满足循环泵运行的要求。

（2）左侧进水流道板框滤网完全堵塞后，进水流道水位由100 a一遇低潮位上升到100 a一遇高潮位时，1．5D、3D以及进水池断面的流速分布不均匀度、流速加权平均角度，与进水流道不堵塞时相比，下降幅度越来越小，流速分布状况得以改善。