中隔墩长度对斜式轴伸泵装置出水流道水力特性的影响

徐 磊，夏 斌，施 伟，刘 军，颜士开，陆林广

中隔墩长度对斜式轴伸泵装置出水流道水力特性的影响

徐 磊1，夏 斌1，施 伟2，刘 军2，颜士开1，陆林广1

（1. 扬州大学水利科学与工程学院，扬州 225009；2. 南水北调东线江苏水源有限责任公司，南京 210019）

为研究大型低扬程泵站斜式出水流道水力特性，采用数值模拟方法对某斜20°轴伸泵装置三维湍流流场进行了数值计算，发现斜式出水流道内存在严重的偏流问题，基于4种计算方案的数值模拟结果分析了偏流的成因，在研究了中隔墩长度对斜式出水流道流态和水头损失影响的基础上提出了解决偏流的措施，并得到模型试验的验证。研究结果表明：顺水流方向看，中隔墩长度为14 m时的斜式出水流道内的主流明显偏于左侧，在流道右侧下部存在较大范围的旋涡区；导叶体出口具有较大周向速度分量的水流呈螺旋状进入“S”形弯曲的斜式出水流道，两者相互作用导致斜式出水流道产生偏流；随着中隔墩长度的增加，斜式出水流道左右孔的偏流系数逐渐减小、流道水头损失呈先减小再增大趋势，当中隔墩加长至23.35 m时出水流道左右两侧的出流流量达到基本相等；采用长中隔墩斜式出水流道的泵装置模型试验最优工况点效率达到80.56%，泵装置模型试验结果与数值模拟结果一致，取得了预期的纠偏效果，得到有关工程设计院的认可，并应用于工程实际。

泵；数值模拟；流场；斜式轴伸泵装置；出水流道；中隔墩

0 引 言

低扬程泵站在水资源调配、城市排涝、水环境改善和农业灌溉等领域应用非常广泛。斜式轴伸泵装置是大型低扬程泵站的主要泵装置型式之一，在上海、浙江和广东等地的一些已投入运行或在建的大型泵站中得到应用[1-3]。

出水流道是斜式轴伸泵装置的重要组成部分，其水力性能的好坏直接影响到泵装置运行的可靠性和高效性。目前对斜式轴伸泵装置及进、出水流道水力性能方面已有一些研究：文献[3-4]计算了斜15°轴流泵装置在无水泵转轮情况下流道的水流流动状况与水力损失；文献[5]对某排涝泵站斜式轴伸泵装置进行了数值模拟，得到该泵站斜30°泵装置性能方案优于斜20°的结论；文献[6]对泵轴倾角为15°、30°和45°的斜式出水流道进行了数值模拟优化和水力性能比较研究；文献[7]根据对某斜15°出水流道三维数值计算分析结果，指出并改正了该流道的设计不当之处；文献[8]比较了泵轴倾角为15°、20°和25°的斜式出水流道水力性能；文献[9]对斜式轴流泵站进行了全流道数值模拟，提出了优化方案，减弱了水流冲撞等不良流态；文献[10-13]对泵轴倾角为15°和30°的斜式轴伸泵装置分别进行了模型试验，测试泵装置的水力性能。

已有文献主要是对斜式轴伸泵装置进行流道水力设计和泵装置水力性能模型试验研究，未涉及斜式轴伸泵装置出水流道内偏流问题和中隔墩对出水流道流态及水力性能影响的研究。本文研究了采用斜20°轴伸泵装置的大型低扬程泵站A，发现斜式轴伸泵装置出水流道（以下简称“斜式出水流道”）内存在严重的偏流现象，在分析了斜式出水流道内产生偏流成因的基础上，提出了采用延长中隔墩长度解决斜式出水流道偏流问题的工程措施，研究了中隔墩长度对斜式出水流道水力特性的影响，并对研究成果进行了泵装置模型试验检验。

1 斜式轴伸泵装置基本参数

大型低扬程泵站A拟采用斜20°轴伸泵装置，单泵设计流量=50 m3/s，所采用水泵模型为TJ04-ZL-20，水泵叶轮直径0=3.65 m，水泵转速=107 r/min。泵站A斜式轴伸泵装置的单线图如图1所示，其流道主要控制尺寸为：进水流道检修闸门门槽中心线至水泵叶轮中心线的距离为15 m，出水流道工作闸门门槽中心线至水泵叶轮中心线的距离为26 m，进水流道进口断面的宽度和高度分别为9.6和5.6 m，出水流道出口断面的宽度和高度分别为9.6和5.5 m；考虑结构稳定和闸门布置的需要，在出水流道出口中部设长度为14 m、厚度为1.4 m的中隔墩，中隔墩将斜式出水流道分为左、右2孔。

注：图中尺寸单位为mm。Φ为直径。

2 数学模型与数值计算方法

2.1 控制方程

斜式轴伸泵装置内部为三维不可压缩粘性湍流流动，控制方程采用了连续性方程与Navier-Stokes方程（N-S方程）[14-16]。应用Fluent软件求解方程组，选择Standard-湍流模型使控制方程组封闭[17-18]，应用SIMPLEC算法进行流场计算的压力和速度耦合。经大量试验数据验证，Standard-湍流模型和SIMPLEC算法在水力机械流场数值计算中展现了较好的适用性[19-22]。

2.2 边界条件

斜式轴伸泵装置三维湍流流场计算的进口边界设置在前池中，本文计算未考虑泵站的不对称运行，故前池流动按无横向流速处理；进口边界为一垂直断面且距进水流道进口断面有足够远的距离，该断面上的流速可认为是均匀分布，采用速度进口边界条件，流速由泵装置设计流量和进口边界断面面积计算。泵装置流场计算的出口边界设置在出水池中，该断面为一垂直断面且距离出水流道出口断面足够远，以保证该断面处的水流流动充分发展，采用自由出流边界条件。泵装置中的前池底壁、进水流道边壁、叶轮室边壁、导叶体边壁、出水流道边壁和出水池底壁等均为固壁，采用固壁函数进行处理[23]。水泵叶轮及轮毂为旋转壁面，其旋转方向和速度与原型水泵工作参数一致。泵站前池和出水池表面不计大气层的热交换，忽略外界流动造成的相关力影响，相关矢量可视为对称平面处理[23]。

2.3 计算区域及网格剖分

斜式轴伸泵装置三维流场数值模拟的计算区域包括前池、进水流道、叶轮、导叶体、出水流道和出水池等6个部分（图2）。斜式轴伸泵装置中的泵段及进、出水流道的三维形体及水流流动复杂，采用适应性强的非结构化网格剖分；前池和出水池的三维形体及水流流动简单，采用结构化网格剖分，计算区域的网格划分情况见图2。经网格无关性分析，斜式轴伸泵装置三维流场计算区域的网格数量为348万。

图2 泵装置流场计算区域及网格图

3 斜式轴伸泵装置出水流道的偏流现象

对泵站A斜式轴伸泵装置行了三维湍流流动数值计算，得到设计流量时的泵装置流场图（图3）。可以看出：斜式进水流道内的水流收缩均匀、流速变化平缓，流道出口水流的流速分布均匀且基本垂直于出口断面，为水泵叶轮运行提供较为理想的进水流态；经水泵叶轮的旋转作用，水泵叶轮出口水流具有较大的周向速度分量[24]，水流以较大的切向速度进入导叶体；经水泵导叶体对水流方向的调整，消减了部分周向速度分量，但导叶体出口水流仍有较大周向速度分量，据初步研究结果，导叶体出口水流的周向速度分量约为导叶体进口的1/3[25]；受导叶体出口水流周向速度分量的影响，水流以螺旋状进入斜式出水流道；由于斜式出水流道呈“S”形弯曲，水流进入流道后经历了先向上、后向下、再向上的连续转向的运动，受水流流动惯性的作用在流道下部产生旋涡（图4）；在水流旋转和流道弯曲的共同作用下，顺水流方向看，出水流道内的主流偏于流道左侧，同时在出水流道直线段出口右侧下部出现了较大范围的旋涡区。

图3 斜式轴伸泵装置流场图

图4 斜式出水流道内旋涡产生的示意图

图5所示为斜式出水流道上、中、下3个横向剖面的流场。可以看到受导叶体出口水流周向速度分量的影响，在出水流道进口处，上横剖面水流流向偏左，下横剖面水流流向偏右，中横剖面水流无偏向；上横剖面流道左右侧均无旋涡，水流流动较为平顺；中横剖面流道左侧水流平顺，流道右侧中部存在局部旋涡区；下横剖面流道右侧存在较大范围的旋涡区；3个横剖面左侧水流平均流速均高于右孔。由此可见，斜式出水流道内的右下侧区域存在较大范围的旋涡区，主流明显偏于流道左侧。

图5 出水流道横向剖面流场图

为了定量表达斜式出水流道偏流的程度，本文引入了出水流道偏流系数：

式中Q、Q分别为出水流道左右2孔的出流量，L/s。

当>1时，表示出水流道左孔的出流量大于右孔；当<1时，表示出水流道左孔的出流量小于右孔；当=1时，表示出水流道左、右2孔出流量相等。根据斜式轴伸泵装置出水流道三维流场数值模拟结果，该流道主流偏于流道左侧，偏流系数＝2.738，左孔出流量明显大于右孔。

上述斜式出水流道流场数值模拟结果在某泵站实际运行中得到证实。大型低扬程泵站B采用斜式轴伸泵装置，该站在本文研究过程中建成并进行了试运行。在试运行中观察到如下现象：该站出水流道左侧水面的波动较为剧烈，并且伴有较大的拍门撞击声，而出水流道右侧水面则较为平静，且听不到拍门撞击声。这个现象说明大部分流量主要集中于左孔流出，表明斜式出水流道内确实存在主流左偏的问题。

4 斜式轴伸泵装置出水流道偏流现象的成因分析

经初步分析，斜式出水流道内的偏流现象主要受到2个因素的影响：一是导叶体出口水流具有较大周向速度分量；二是斜式出水流道的三维形体呈“S”形弯曲。具有旋转的水流进入“S”形弯曲的斜式出水流道，两者相互作用，导致流道内偏流现象的发生。

为了证实斜式出水流道产生偏流现象的成因，本文设计了4个计算方案：1）有旋转水流进入平直型出水流道；2）有旋转水流进入“S”形弯曲出水流道；3）无旋转水流进入平直型出水流道；4）无旋转水流进入“S”形弯曲出水流道。“S”形弯曲出水流道的几何体型特征是先向上、后向下、再向上的连续转弯（图6），流道弯曲的原因是为了满足泵轴穿过出水流道的要求；这种出水流道主要用于斜式轴伸泵装置、卧式后轴伸泵装置。平直型出水流道的几何体型特征是顺直不弯曲（图7a），常用于前置竖井式贯流泵装置、前置灯泡式贯流泵装置和卧式前轴伸泵装置。

为了排除其它因素的影响，本文将出水流道从泵装置中分离出来进行三维湍流流动数值模拟[26]，其计算区域包括进水直管、出水流道和出水池等3个部分（图6）。进水直管进口断面处采用速度进口边界条件，同时在此处设置一定旋转速度；若为无旋转水流，则水流旋转速度设置为0；出水池出口断面处水流充分发展，采用自由出流边界条件；进水直管边壁、流道边壁和出水池底壁等均按固壁定律进行处理；出水池的表面为自由水面，不计大气交换和忽略外界流动造成的相关力影响，可视为对称平面处理[18]。采用非结构化网格对出水流道进行网格剖分，采用结构化网格对进水直管段和出水池进行网格剖分。经网格无关性分析，计算区域网格数量为102万即可满足要求。出水流道计算区域及其网格剖分情况示于图6。

图6 出水流道流场计算区域及网格图

采用三维湍流流动数值模拟方法计算得到的4个计算方案设计流量时的出水流道流场图（图7）。可以看到，流道进口水流无旋转时（图7a、7b），平直型出水流道和“S”形弯曲出水流道内未出现偏流现象；流道进口水流有旋转时（图7c、7d），水流呈螺旋状流入出水流道，平直型出水流道内无偏流现象，而“S”形弯曲出水流道内的主流明显偏于流道左侧，同时在流道右侧下部区域出现较大范围的旋涡区。

图7 4种出水流道计算方案的流场

由上述结果可知，对于平直型出水流道，无论是流道进口水流是否旋转，流道内均未出现偏流；对于“S”形弯曲出水流道，当流道进口水流无旋转时流道内无偏流，而当流道进口水流有旋转时则出现明显偏流。由此可以得出，流道进口水流旋转和出水流道为“S”形弯曲是斜式出水流道产生偏流的2个必要条件，偏流是这两者相互作用的结果。

5　不同中隔墩长度时斜式出水流道水力性能

在对斜式出水流道三维流场的研究中发现，加长中隔墩长度可以改善出水流道内的流态、减小出水流道内水流的偏流程度。所以，为了抑制流道进口水流的旋转对斜式出水流道流场的不良影响，本文提出采用加长中隔墩长度的措施解决斜式出水流道的偏流问题。

大型低扬程泵站A的斜式出水流道出口断面的宽度为9.6 m，流道出口处布置了工作闸门和事故闸门。为减小单扇闸门的宽度，该站在出水流道闸门段中间设置了长度为14 m的中隔墩（图1）。在此中隔墩基础上逐渐增加长度，形成了7个不同中隔墩长度方案的斜式出水流道，其流道单线图见图8。7个方案的中隔墩长度列于表1。

图8 不同中隔墩长度的斜式出水流道单线图

对泵站A斜式出水流道7个方案设计流量时的三维流场分别进行了数值计算，计算得到各方案的偏流系数和流道水头损失列于表1。可以看到：中隔墩长度对偏流系数的影响非常显著，对出水流道的水头损失也有较大影响，流道水头损失随中墩长度增加先减小再增大；中隔墩长度小于22 m时，偏流系数随着中隔墩长度的增加下降很明显；当中隔墩长度达到23 m时，偏流系数的变化变缓并接近于1，表明出水流道左孔与右孔的出流流量基本相等；若继续增加中隔墩长度，则偏流系数<1，表明出水流道左孔的出流量小于右孔，主流偏于流道右孔（图9d）。可见，通过优化中隔墩长度可以在较大程度上改善斜式出水流道内的流态，使左、右2孔的出流流量基本相等。

表1 斜式出水流道7个方案偏流系数和水头损失的比较

不同中隔墩长度的出水流道流场见图9。

图9 不同中隔墩长度的出水流道流场

可以看到中隔墩长度对斜式出水流道内的流态有较为显著的影响：中隔墩长度为14 m时，偏流系数为2.738，斜式出水流道内偏流严重，主流明显偏于流道左侧，在流道直线段右侧下部产生大范围旋涡区，旋涡区的高度约为流道立面高度的3/4；随着中隔墩长度的增加，流道内旋涡区的范围缓慢减小、偏流问题逐渐改善，当中隔墩长度增加至20 m时，偏流系数为2.087，流道右孔旋涡区的立面高度降低至约为立面高度的2/3；随着中隔墩长度的进一步增加，流道右侧下部旋涡区的范围逐渐减小，但在流道左孔上部产生了一定范围的旋涡区；当中隔墩长度增加至23.35 m时，偏流系数为0.992，流道右孔旋涡区的立面高度降低至约为流道立面高度的1/2，流道左孔上部出现旋涡区，2个旋涡区范围较为接近；当中隔墩长度继续增加时，出水流道左孔旋涡区范围逐渐增大，右孔旋涡区范围逐渐减小，主流逐渐偏右；当中隔墩长度增加至26.48 m时，偏流系数为0.945，流道右孔内旋涡基本消失，水流流动较为平顺，水流主流偏于流道右孔。

根据研究结果进行了充分论证，中墩方案5出水流道的偏流系数接近于1，左右2孔出流量基本相等，解决了出水流道内的偏流问题。

6 泵装置模型试验结果及分析

泵站A采用了中隔墩方案5并进行了泵装置模型试验。泵站A斜式轴伸泵装置模型试验于2018年在中水北方勘测设计研究有限责任公司水力模型通用试验台进行[27]。该试验台为立式封闭循环系统，试验台精度高、稳定性好，效率综合不确定度误差优于±0.3%，随机误差优于±0.1%[28]。泵装置模型试验的水泵转速为1 450 r/min，模型泵叶轮直径为300 mm，试验内容及方法按《水泵模型及装置模型验收试验规范》（SL140-2006）[29]执行。试验得到的该站泵装置（方案5）模型综合性能曲线（图10）。可以看到，采用长中隔墩出水流道的斜式轴伸泵装置水力性能优异，最优工况点的效率达到80.56%。

图10 泵装置（方案5）模型综合性能曲线

采用三维湍流流动数值模拟方法对斜式泵装置（方案5）叶片角度为−2°时的能量性能进行了计算，并将计算结果与泵装置模型试验结果进行了比较，如图11所示。可以看出，泵装置数值模拟的流量-扬程曲线、流量-效率曲线与模型试验结果的整体变化趋势基本一致，数值计算的扬程略高于模型试验；泵装置模型试验最优工况点处的扬程误差为3.2%、泵装置效率误差为2.2%。故采用本文的数值模拟方法对斜式轴伸泵装置出水流道水力性能的研究是可靠的。

图11 数值计算与模型试验结果比较

在泵装置模型试验中，对斜式出水流道方案5出口左、右两侧的水流进行水压脉动测试，测点位置如图12所示。

由试验得到的各叶片角度的压力脉动试验曲线示于图13。可以看出：出水流道出口左、右两侧的压力值十分接近，且各叶片角度流道左、右两侧压力值的变化趋势也基本一致，说明流道出口左、右两侧流量和流速基本相同。若斜式出水流道内存在偏流，则其左、右2孔的流量及流速必然出现明显差别，根据伯努利方程，流道左、右两侧的压力也应出现明显差别；反之，若流道内无偏流，则两侧的压力应基本相同。

图13 泵装置出水流道（方案5）左右侧测点压力脉动试验曲线

7 结 论

1）斜式轴伸泵装置采用14m长度中隔墩的出水流道内存在严重的偏流问题，顺水流方向看，水流主流偏于流道左侧，在流道右侧下部存在较大范围旋涡区，流道左孔出流流量明显大于右孔。

2）斜式出水流道内产生的偏流是导叶体出口水流较大的周向速度分量与“S”形弯曲的斜式出水流道相互作用所导致的一种流动现象。

3）加大中隔墩长度可以有效改善斜式出水流道内的流态，当中隔墩长度增加为23.35m时，可使出水流道左、右2孔的出流流量达到基本相等。

4）中隔墩长度为23.35 m斜式出水流道的泵装置模型试验结果与本文数值模拟研究结果一致，泵装置最优工况点的效率达到80.56%。

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Influence of middle pier lengths on hydraulic characteristic of outlet conduit in pump system with slanted extension shaft

Xu Lei1, Xia Bin1, Shi Wei2, Liu Jun2, Yan Shikai1, Lu Linguang1

(1.,,225009; 2.--.,,210019,)

Pump system with slanted extension shaft is one of the main pump systems in large low head pump station. In order to improve the flow pattern in the slanted outlet conduit and increase hydraulic performance of pump system, the three dimension turbulent flow field was calculated for the pump system with 20° shaft extension in a large low head pump station based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and standard-turbulent model. By the method of numerical simulation, flow fields in outlet conduits were analyzed and compared for 4 kinds of calculation schemes which were straight outlet conduit without rotation, S-shaped curve outlet conduit without rotation, straight outlet conduit with rotation and S-shaped curve outlet conduit with rotation. Based on the analyses, the cause of serious bias flow in the slanted outlet conduit was analyzed. According to the influence of length of middle pier on the bias coefficient and hydraulic loss of the slanted outlet conduit, the method of solving the bias flow problem was put forward, and the fittest middle pier length was chosen, and the hydraulic performance of the pump system was tested. The research results showed that there was serious bias flow in slanted outlet conduit when the length of middle pier was 14 m. Looking from the direction of downstream flow, the main flow was obviously skewed to the left side of the slanted outlet conduit, while a large range of vortex area appeared in the lower right part of the outlet conduit, and the discharge of the left hole was obviously than that of the right hole. There was no bias flow in the straight and the S-shaped curved outlet conduits when the flow at the conduit inlet with no rotation. There was no bias flow in the straight outlet conduit while there was obviously bias flow in the S-shaped curved outlet conduit when the flow at the conduit inlet with rotation. Therefore, the flow with larger residual circumferential velocity component at the guide vane outlet enters into the S-shaped curved outlet conduit in a spiral shape was the cause of serious bias flow in the slanted outlet conduit. The results also showed that the middle pier length had a significant influence on bias coefficient and hydraulic loss of the slanted outlet conduit. When the middle pier length was 14 m, the conduit bias coefficient and hydraulic loss were large. Along with the middle pier length increased, the conduit hydraulic loss decreased firstly and then increased, the conduit bias coefficient decreased gradually. When the middle pier length was 23.35 m, the conduit bias coefficient was smaller than 1, the discharge of right side was bigger than that of left side in the outlet conduit, the main flow was skewed to the right hole. The discharge from the left and right sides of the outlet conduit is basically equal when the middle pier was lengthened to an appropriate value. The slanted outlet conduit scheme with proper extension of the middle pier length had been verified by the model test of the pump system. The efficiency of optimal operation point for the pump system with slanted extension shaft reached 80.56%, the model test results were basically the same with the numerical simulation results. The pressure values on the left and right sides were very close at corresponding time and the pressure variation trends were basically the same. These model test results indicated that the flow pattern of left and right sides were nearly the same and the expected rectification effect was achieved. The slanted outlet conduit scheme whose middle pier length was 23.35 m had been recognized by the relevant engineering design institute and applied to the engineering practice.

pump; numerical simulation; flow filed; pump system with slanted extension shaft; outlet conduit; middle pier

徐 磊，夏 斌，施 伟，刘 军，颜士开，陆林广. 中隔墩长度对斜式轴伸泵装置出水流道水力特性的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：74－81.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.009 http://www.tcsae.org

Xu Lei, Xia Bin, Shi Wei, Liu Jun, Yan Shikai, Lu Linguang. Influence of middle pier lengths on hydraulic characteristic of outlet conduit in pump system with slanted extension shaft[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 74－81. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.009 http://www.tcsae.org

2019-06-27

2019-10-24

国家自然科学基金（51309200, 51779215）；中国博士后科学基金（2013M540469）；江苏省博士后科研基金（1301021A）

徐 磊，博士，副教授，主要从事泵站工程方面的研究。Email：xulei1017@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.009

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1002-6819(2020)-01-0074-08