泵站进水流速对2种进水方式的表面漩涡特性影响的研究

高传昌，高余鑫，汪顺生，高志锴

▪灌溉技术与装备▪

泵站进水流速对2种进水方式的表面漩涡特性影响的研究

高传昌，高余鑫*，汪顺生，高志锴

(华北水利水电大学，郑州 450045)

【】探究不同进水流速对泵站进水水流流态、漩涡的产生与发展变化规律的影响。结合泵站实际运行情况，采用NX UG 10.0软件构建泵站封闭式进水流道水平进水和开敞式进水池垂直进水2种进水方式的进水物理模型及三维湍流数学模型，采用雷诺N-S方程、VOF模型和非定常的SST湍流模型。对2种进水方式下不同进水流速的进水流场分布和漩涡的产生、变化及分布规律进行了数值模拟。在满足泵站进水口临界淹没水深时，2种进水方式下的进水表面漩涡强度随着进水流速的增加逐渐增强，并对2种进水表面出现的漩涡类型与进水流速变化的区间进行了划分；封闭式进水流道水平进水流速在0.217～0.304、0.349～0.448、0.482～0.554、0.575～0.661 m/s时，漩涡类型分别为Ⅰ和Ⅱ型涡、Ⅲ和Ⅳ型涡、Ⅴ型涡、Ⅵ型涡；开敞式垂直进水流速在0.322～0.402、0.484、0.521～0.564 m/s时，漩涡类型分别为Ⅲ和Ⅳ型涡、Ⅴ型涡、Ⅵ型涡，开敞式进水池垂直进水的水体中同时产生表面漩涡和水中漩涡；数值计算结果与试验结果基本吻合。对封闭式进水流道水平进水方式的泵站工程，进水流速不应大于0.349 m/s；对开敞式进水池垂直进水方式的泵站工程，进水流速不应大于0.322 m/s。

泵站；进水流速；漩涡；数值计算；模型试验

0 引言

【研究意义】我国是世界上泵站数量最多、规模最大、类型最丰富的国家。由于泵站结构、水泵型式和运行环境的复杂性，使得由前池、进水池、进水流道等组成的泵站进水系统常存在自由表面漩涡和次表面漩涡，对水泵运行稳定性、效率和空化性能产生直接影响[1]。因此，研究泵站进水系统漩涡的产生和发展机理，从而发现影响进水水流流动特性的因素，提出防止泵站进水池流态紊乱的有效措施，对保证泵站安全、高效和稳定运行至关重要。

【研究进展】泵站进水漩涡一般分为表面漩涡和水中漩涡，其中表面漩涡对工程影响较大，是泵站设计和运行管理关注的重点，为此许多学者针对影响泵站进水水流流态与表面漩涡产生的因素进行了模型试验和数值计算。资丹等[2]研究了进水池垂直布置下喇叭管悬空高、后壁距和淹没深度对进水池水流流态和水泵水力性能的影响，并给出了最优组合参数。丁光浩[3]认为泵装位置及一定流量条件下，泵喇叭口的淹没深度决定着表面漩涡的形态，为此进行了矩形进水池垂直布置的吸水喇叭管的悬空高、后壁距、池宽和流量对临界淹没深度的影响的试验研究，给出了相应的临界淹没深度的经验公式。胡去劣[4]对封闭式进水的发电隧洞进水口的水流特性进行了试验研究，提出用低福氏数进水口分区成涡的规律及无涡进水口的体型设计；当进口福氏数小于第一临界值时，不论进口淹没深度大或小均无漩涡发生；当进口福氏数小于第二临界值时，不会发生偶发性串通漩涡；当进口福氏数大于第二临界值时，随着相对淹没深度的增加，将会发生表面凹陷型漩涡、偶发性串通漩涡等情况。刘树红等[5-6]为了对开敞式水泵进水池流场的数值模拟结果和试验结果进行对比，取计算和试验的进水池水深为0.3 m，研究进水流速分别为0.4 m/s和0.55 m/s对进水池流场和产生吸气漩涡的影响。王自明等[7]研究了进水口淹没深度H/D及淹没弗劳徳数与泵站进水口吸气漩涡之间的关系，结果表明：临界淹没深度和淹没弗劳徳数可判断泵站进水口是否发生吸气漩涡。文献[8-13]运用数值模拟和模型试验的方法研究了进水喇叭口的悬空高、后壁距、临界淹没水深、水中空气量和后壁平面形状对进水池内部的漩涡结构及表面吸气涡的动态过程和特性的影响，揭示了表面吸气涡形成及抑制机理，得到了漩涡强度与淹没深度的关系。为了探究自由表面漩涡产生和发展的机理，许多学者采用V3V技术和PIV技术与数值模拟相结合的方法，研究了自由表面漩涡的流场结构，得到了自由表面漩涡的产生和变化规律[14-19]。由此可见，以往研究主要集中在进水口淹没深度对表面漩涡形成机理和漩涡流场结构发展过程的影响，以及与表面漩涡特性之间的关系。

【切入点】我国《泵站设计规范》[20]规定，对进水管道进水的以喇叭口中心的临界淹没深度和对流道进水的流道进口上缘应淹没在进水池最低运行水位以下至少0.5 m的淹没深度来防止泵站进水表面漩涡的产生。作者在试验研究中发现，当泵站2种进水方式的淹没深度满足《泵站设计规范》要求时，进水水流流速对表面漩涡的产生和发展具有较大的影响，但针对不同进水流速对泵站不同进水方式形成的进水漩涡的影响研究甚少。【拟解决的关键问题】为此，本文以黄河下游2座不同进水方式的泵站为研究对象，采用数值模拟和试验研究相结合的方法，开展不同进水流速下封闭式进水流道水平进水和开敞式进水池垂直进水的进水水流流态和进水漩涡特性的研究，分析不同进水流速对进水流态和进水漩涡特性的影响，提出防止泵站进水池流态紊乱和有害漩涡产生的进水流速值，以期为泵站工程设计和更新改造提供参考。

1 泵站2种进水方式的进水模型

1.1 封闭式进水流道水平进水模型

封闭式进水流道水平进水模型取自于黄河下游邢家渡引黄闸前泵站，泵站包括进水前池、进水闸室、簸箕形进水流道、机组、出水池等。装有设计流量为12.5 m3/s的轴流潜水泵4台。进水前池设计水位23.0 m，最低运行水位22.4 m；进水闸室与簸箕形进水流道进口宽度均为4.5 m；簸箕形进水流道进口高度为2.8 m；进水前池、进水闸室和簸箕形进水流道底板高程均为18.17 m，进水前池最小水深为4.23 m，进水流道进口上缘淹没在进水池最低运行水位以下1.43 m，满足《泵站设计规范》要求。模型比尺为1∶7，由进水前池、进水闸室、簸箕形进水流道及其出口延长段4部分组成。泵站模型进水前池的长宽高分别为2 000、643、690 mm；进水闸室的长宽高分别为1 214.29、643、690 mm；簸箕形进水流道进口高度和宽度分别为400、643 mm；进水流道出口延长段为2倍出口直径的长度520 mm，如图1所示。

图1 封闭式进水流道水平进水模型布置及特征截面示意

1.2 开敞式进水池垂直进水模型

开敞式进水池垂直进水模型取自于黄河下游田山一级泵站，泵站包括进水闸、前池、进水池、泵房出水池等，装有设计流量为2.98 m3/s的轴流泵12台。该泵站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，进水池池长为6.72 m，单泵进水池池宽为3.3 m，池底高程为30.4 m，进水池设计水位为34.3 m，最低运行水位为33.0 m；悬空高度为1.2 m，后墙距为1.26 m；进水管直径为900 mm，进水喇叭口直径为1 280 mm，如图 2 所示。进水池最小水深为2.6 m，喇叭口中心最小淹没深度为1.4 m，满足《泵站设计规范》要求。模型比尺1：10，包括引渠、前池、进水池、进水池隔墩、喇叭管和进水管6部分。引渠长宽分别为250、250 mm；前池长1 020 mm，前池进、出口宽分别为250、750 mm，扩散角27.54°，底坡0.06；进水池池长672 mm，单泵进水池池宽330 mm；进水池隔墩长宽分别为672、90 mm；进水喇叭口直径128 mm，高度51 mm。进水管直径90 mm，长度500 mm；悬空高度为120 mm，后墙距为126 mm，如图2所示。

图2 开敞式进水池垂直进水模型布置及特征截面示意

2 数值计算模型及方案

2.1 数值计算模型

采用NX UG 10.0软件分别建立封闭式进水流道水平进水和开敞式进水池垂直进水物理模型。封闭式进水流道水平进水物理模型包括：进水前池、进水闸室、进水流道及其出口延长段，如图3（a）所示；开敞式进水池垂直进水的进水物理模型包括：引渠、前池、进水池、进水池隔墩、喇叭管和进水管，如图3（b）所示。

图3 计算模型

计算采用非定常的SST湍流模型和VOF模型；压力速度耦合采用SIMPLE算法；离散方法为有限体积法；动量、湍动能和湍流耗散率均采用二阶迎风格式。

封闭式进水流道水平进水物理模型进口和出口1采用速度边界条件，出口2为压力边界条件（其大小为1个标准大气压），壁面设为无滑移壁面；采用Fluent Meshing进行网格剖分，选择适应性较好的混合网格（边界为多面体网格，内部为六面体网格），经网格数目的无关性分析后确定网格数量为676.0万，其中：进水前池部分网格数量为457.6万，进水闸室为60.1万，进水流道为147.3万，出水管为11.0万，如图4（a）所示。

开敞式进水池垂直进水的进水物理模型进口和出口采用速度边界条件，出口1设置为压力边界条件，大小为1个标准大气压，壁面为无滑移壁面；采用Ansys 2020将模型网格剖分为适应性较好的混合网格即边界为多面体网格，内部为六面体网格。网格数目的无关性分析确定网格数量为390.7万，其中：引渠部分网格数量为28.3万，前池为163.8万，左侧进水池为90.3万，右侧进水池为89.5万，左、右二侧进水管均为9.4万，如图4（b）所示。

图4 模型网格剖分

2.2 数值计算方案

2.2.1计算水深

封闭式进水流道水平进水模型进水前池最小水深604 mm，进水流道进口上缘淹没在进水池最低运行水位以下淹没深度204 mm；开敞式进水池垂直进水模型进水池最小水深260 mm，喇叭口中心最小淹没深度140 mm，均满足《泵站设计规范》要求。

2.2.2计算方案

不同进水流速分别对封闭式进水流道水平进水模型和开敞式进水池垂直进水模型的水力特性影响的数值模拟计算方案，如表1所示。

表1 数值模拟计算方案

2.3 分析截面选取

封闭式进水流道水平进水物理模型选择1-1截面（自由水面）、2-2截面（进水流道进口上缘水平面）和3-3截面（距进水流道进口0.5的横截面），对上述截面分别进行流态分析，特征截面示意见图1；开敞式进水池垂直进水模型选择右侧进水池的1-1截面（自由水面）、2-2截面（喇叭管进口水平面）、3-3截面（喇叭管进口中心纵截面）、4-4截面（进水池右部中间纵截面）、5-5截面（进水池右部边壁纵截面）和6-6截面（喇叭管进口后部边缘横截面）进行流态分析，特征截面示意见图2。

3 结果与分析

3.1 封闭式流道进水计算结果

3.1.1特征截面流态

1）水平截面流态。不同流速下，自由水面（1-1截面）和进水流道进口上缘水平面（2-2截面）的流速和流线分布如图5所示。由图5可知，自由水面的不同流速值的分布区随着进水流速的增大逐渐增多，呈现出前部流速大于后部流速的分布，后部壁面处最小，且内部大于边壁；流线分布前部平顺，后部比较紊乱，其中在上下侧边壁和后壁处最为紊乱，并于上下侧边壁处形成漩涡，漩涡位置基本相同，数量2个或3个。进水流道进口上缘水平面的流速分布随着进水流速的增大与自由水面的流速分布相反，前部小于后部，后部壁面处最大，呈比较规则的带状分布；流线分布比较平顺，在后部后壁处弯曲发散。在进水流速为0.217 m/s时，自由水面的后部产生了漩涡，但进水流道进口上缘水平面无漩涡，漩涡没有进入到流道进口就消失了；当进水流速为0.349 m/s时，自由水面和流道进口上缘水平面的上下侧边壁处均出现漩涡，说明漩涡已进入到流道进口，而随着进水流速的增加，自由水面和流道进口上缘水平面产生的漩涡强度不断增强。

2）横向截面流态。不同流速下，距进水流道进口0.5的横截面（3-3截面）的流速和流线分布如图6所示。由图6可以看出，距进水流道进口0.5H的横截面的不同流速值的分布区随着进水流速的增大逐渐增多，下部流速分布区的数值逐渐增大，且均为下部流速大于上部流速的分布规律；流线分布则表现为在水面附近的两侧边壁处比较紊乱，并形成表面漩涡，水面以下的流线比较平顺，不同进水流速下均无水中漩涡产生。

图6 横向截面流速和流线分布

3.1.2漩涡分布

10种流速下，进水闸室和进水流道形成的漩涡如图7所示。根据图7中不同进水流速对应的表面漩涡分布状况，结合美国麻省Worcester综合研究所Alden实验室将表面漩涡分为6型[21]的标准，封闭式进水流道水平进水流速在0.217～0.304 m/s，进水闸室水面比较平稳，水面以下的水体中有少量气泡，且未进入进水流道，漩涡类型为Ⅰ、Ⅱ型；流速在0.349～0.448 m/s时，水面开始波动，水体中气泡增多，并间歇性地进入流道，漩涡类型为Ⅲ、Ⅳ型；流速在0.482～0.554 m/s时，水面波动明显，水体中气泡堆积形成气柱且间歇性地进入流道，漩涡类型为Ⅴ型；流速在0.575～0.661 m/s时，水面波动剧烈，形成的气柱连续地进入流道，漩涡类型为Ⅵ型。进水表面形成漩涡类型与进水流速的大小有关。

图7 表面漩涡分布

3.2 开敞式进水池进水计算结果

3.2.1特征截面流态

1）水平截面流态

进水池自由水面（1-1截面）和喇叭管进口水平面（2-2截面）的流线和流速分布如图8所示。由图8可知，不同进水流速下，1-1截面的流速分布云图呈现出内部大于边壁，流速最大区域位于进水管附近和进水池前部上侧，2-2截面的流速分布为喇叭管进口附近最大且后墙与喇叭管进口之间流速变化梯度明显。2个截面下的流线分布均表现为进水池前部平顺、后部紊乱，漩涡均产生在喇叭管与后墙间的区域，1-1截面产生的表面漩涡数量为4～5个，2-2截面漩涡数量为3～4个，随着进水流速的增加漩涡强度增加。

图8 进水池水平剖面流速和流线分布

2）进水池纵截面流态

图9为进水池喇叭管进口中心纵截面（3-3截面）、进水池右部中间纵截面（4-4截面）、进水池右部边壁纵截面（5-5截面）的流线和流速分布。从图9可以看出，3-3截面的高流速区域主要位于喇叭管进口附近，且随着进水流速的增加高流速区域增大，而流线从前部和后部向喇叭管进口集中；4-4截面在喇叭管进口高度附近及前部形成高流速区域，流线起始于前部聚集于进水喇叭管口高度附近，在底壁和后墙夹角处形成1个水中漩涡；5-5截面的高流速区域主要位于喇叭管进口高度附近的后墙和喇叭管之间区域，受到边壁效应的影响，流线分布比较紊乱，在底壁、右侧边壁和后壁的夹角处形成附壁涡，数量为1个。4-4截面和5-5截面的产生漩涡的位置不变，而随着进水流速增大水中漩涡的强度在增强。

图9 进水池纵剖面流速和流线分布

3）进水池横剖面流态分析

图10为进水池喇叭管进口后部边缘横截面（6-6截面）的流线和流速分布。由图10可知，该截面的高流速区域位于喇叭管进口高度附近，且随着进水流速的增加高流速区域增大，壁面处的流速最低，流线分布紊乱；在喇叭管口下方、侧底壁夹角处及底壁产生漩涡，为附底涡和附壁涡，数量为2～3个，漩涡的位置变化不大，并随着进水流速增大水中漩涡的强度有所增强。

图10 进水池横剖面流速和流线分布

3.2.2漩涡分布

9种流速下，进水池和进水管形成的漩涡如图11所示。根据图11中不同进水流速对应的表面漩涡分布状况，结合文献[21]中给出的6型表面漩涡标准，开敞式进水池垂直进水流速在0.322～0.402 m/s时，水面产生波动，形成的气泡浸入水体较深且间歇性地进入喇叭管口，漩涡类型为Ⅲ、Ⅳ型；流速在0.484 m/s时，水面波动明显，形成的气柱浸入水体的深度达到喇叭管口附近，气柱间歇性地进入喇叭管口，漩涡类型为Ⅴ型；流速在0.521～0.564 m/s时，水面波动剧烈，形成的气体连续地进入喇叭管口，漩涡类型为Ⅵ型；可见，进水池形成的表面漩涡强度随着进水流速增加逐渐增强。

图11 表面漩涡分布

4 试验验证

封闭式进水流道水平进水和开敞式进水池垂直进水的水力特性验证试验均在华北水利水电大学泵及泵站实验室进行。2种进水方式的进水模型实验装置，如图12所示。模型试验测试设备与测试方法等见文献[22-24]。

图12 模型试验系统

4.1 试验验证结果

4.1.1封闭式进水流道水平进水模型试验结果

根据10种不同进水流速对封闭式进水流道水平进水水力特性影响的试验数据分析结果[24]可知，进水流速在0.217 m/s和0.250 m/s时，进水闸室表面出现了间歇性出现和消亡的Ⅰ型涡；流速为0.304 m/s时，进水表面凹陷，且凹陷间歇性出现和消亡，漩涡类型为Ⅱ型涡；流速为0.349 m/s时，进水表面凹陷，凹陷较深且有规律地出现和消亡，漩涡强度不大，此时间歇性出现Ⅱ型和Ⅲ型，并以Ⅲ型居多；流速为0.389 m/s和0.448 m/s时，进水表面的凹陷或消亡或变深并间歇性地进入进水流道，此时出现的漩涡为Ⅲ、Ⅳ型；流速为0.482 m/s和0.554 m/s时，进水表面出现的凹陷漩涡末端接近进水流道进口且末端产生的气泡频繁地进入进水流道，此时出现的漩涡有Ⅳ型和Ⅴ型，并以Ⅴ型为主；流速为0.575 m/s和0.661 m/s时，进水表面出现的凹陷漩涡末端进入进水流道且漩涡末端产生的气泡或挟气涡带最远可延伸到喇叭管进口处，此时出现的漩涡有Ⅴ型和Ⅵ型，并以Ⅵ型为主。

4.1.2开敞式进水池垂直进水模型试验结果

根据9种不同进水流速对开敞式进水池垂直进水水力特性影响的试验数据分析结果[22-24]可知，进水池不仅产生了表面漩涡，还产生了水中涡（附底涡和附壁涡）。流速为0.322 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现强度时大时小的Ⅲ、Ⅳ型涡现象；流速为0.344 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现2个对称的Ⅳ型涡或Ⅴ型涡；流速为0.347 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，长时间出现Ⅲ、Ⅳ型涡现象；流速为0.361 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现1个显著的Ⅳ型涡或Ⅴ型涡；进水流速为0.376 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现1个更显著的Ⅳ型涡现象，偶尔出现Ⅴ型涡；流速为0.402 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现1个更显著的Ⅳ型涡或Ⅴ型涡；流速为0.484 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现Ⅲ、Ⅳ型涡和Ⅵ型涡；流速为0.521 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，出现2个Ⅵ型涡；流速为0.564 m/s时，在进水喇叭管和后墙之间，长时间出现Ⅵ类涡。

4.2 试验结果与模拟结果的对比

图13和图14分别为2种泵站进水方式下能产生Ⅲ型或Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型漩涡。分别将图7（d）、图7（g）及图7（i）的封闭式进水流道水平进水漩涡流态的数值模拟结果与图13（a）—图13（c）进水模型试验结果和图11（a）、图11（g）及图11（h）的开敞式进水池垂直进水漩涡流态的数值模拟结果与图14（a）—图14（c）进水模型试验结果对比可知，在相同进水流速下，2种泵站进水产生的表面漩涡类型基本相同。

由不同进水流速下的试验结果与数值模拟结果对比可知，2种泵站进水产生的表面漩涡强度和类型随进水流速的变化基本一致。对泵站工程来说，允许Ⅰ、Ⅱ型漩涡存在，避免产生Ⅲ、Ⅳ型漩涡，不允许存在Ⅴ型及以上漩涡，因此要保证泵站进水水流流态良好，封闭式进水流道水平进水方式的进水流速值不应大于0.349 m/s；开敞式进水池垂直进水方式的进水流速值不应大于0.322 m/s。

图13 封闭式进水流道水平进水模型试验进水漩涡流态

图14开敞式进水池垂直进水模型试验进水漩涡流态

5 讨论

研究表明，在泵站进水水深不变时，泵站表面漩涡的强度随进水流速的增大而增强，并分别就2种泵站进水表面出现的漩涡与进水速度区之间的关系进行了划分，这与文献[4-6,25]的研究结果类似。文献[4]对封闭式进水的发电隧洞进水口的漩涡特性进行了试验研究，提出用福氏数对进水口漩涡分区，计算式=进/()1/2，（式中：进为发电隧洞进水流速，为发电隧洞洞径，仅随进而变化）。文中给出的第一临界和第二临界福氏数值，可认为是第一流速值和第二流速值。当进口流速小于第一流速值时，不论进口淹没深度大或小均无漩涡发生；当进口流速小于第二流速值时，不会发生偶发性串通漩涡；当进口流速大于第二流速值时，随着相对淹没深度的增加，将会发生表面凹陷型漩涡、偶发性串通漩涡等情况。文献[5-6]对水深为0.3 m的进水池流速分别为0.4 m/s和0.55 m/s水流流态和漩涡特性进行了研究，当进水池流速为0.4 m/s时，池中发生了表面下凹的漩涡；当进水池流速为0.55 m/s时，池中发生了最为剧烈的表面吸入漩涡。文献[25]规定，吸水喇叭口前吸水池断面的平均流速不应大于0.3 m/s。可见，上述专家仅针对进水池某一流速产生的漩涡特性进行了研究，没有对不同流速下的进水池水流流态和漩涡特性进行研究。

本文就不同进水流速对泵站2种进水方式的进水水流特性的影响进行了数值模拟，分析了泵站进水水流流态和漩涡分布，揭示了泵站表面漩涡强度随进水流速的增大而增强的变化规律，分别就2种泵站进水表面出现微凹的Ⅰ、Ⅱ型漩涡、表面下凹的Ⅲ、Ⅳ型漩涡、表面下凹较深的间断进气Ⅴ型漩涡和漩涡中心为贯通的连续进气的Ⅵ型涡进行了进水速度区间的划分，并模型试验结果进行对比，二者基本吻合。在实际工程中，影响泵站进水表面漩涡产生的因素很多，如进水结构型式、悬空高、后壁距、池宽、进水管的位置和进水喇叭管的形状等，进水流速仅是其中一个因素，本文仅进水流速对表面漩涡的产生和发展的影响进行了研究。今后需要对表面漩涡的产生和发展的影响因素进行全面系统的研究，为泵站工程设计提供科学依据。

6 结论

1）封闭式进水流道水平进水方式的进水流速在0.217～0.304、0.349～0.448、0.485～0.554、0.575～0.661 m/s时，进水表面漩涡类型分别为Ⅰ和Ⅱ型涡、Ⅲ和Ⅳ型涡、Ⅴ型涡、Ⅵ型涡。

2）开敞式进水池垂直进水方式的进水流速在0.322～0.402、0.484、0.521～0.564 m/s时，漩涡类型分别为Ⅲ和Ⅳ型涡、Ⅴ型涡、Ⅵ型涡。

3）对封闭式进水流道水平进水方式的泵站工程，进水流速不应大于0.349 m/s；对开敞式进水池垂直进水方式的泵站工程，进水流速不应大于0.322 m/s。

4）进水漩涡不仅在表面水体中产生和发展，而且在进水管后部和进水喇叭口下部的水体中产生和发展水中涡（附壁涡和附底涡）。

[1] 王福军, 唐学林, 陈鑫, 等. 泵站内部流动分析方法研究进展[J]. 水利学报, 2018, 49(1): 47-61, 71.

WANG Fujun, TANG Xuelin, CHEN Xin, et al. A review on flow analysis method for pumping stations[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(1): 47-61, 71.

[2] 资丹, 王福军, 姚志峰, 等. 基于响应曲面模型的泵站进水池参数优化方法研究[J]. 水利学报, 2017, 48(5): 594-607.

ZI Dan, WANG Fujun, YAO Zhifeng, et al. Research on optimization method of pump sump parameters based on response surface model[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(5): 594-607.

[3] 丁光浩. 泵站矩形进水池临界淹没深度试验研究[J]. 灌溉排水, 1998, 17(4): 21-24.

DING Guanghao. Experimental research on critical submergence depth of rectangular entry port in a pumping station[J]. Irrigation and Drainage, 1998, 17(4): 21-24.

[4] 胡去劣. 进水口漩涡的试验研究[J]. 水利水运科学研究, 1982(3): 22-35.

HU Qulie. Experimental study of vortex formation at the intake of conduits[J]. Water Resources and Shipping Science Research, 1982(3): 22-35.

[5] 刘树红, 樊毅, 吴玉林, 等. 水泵吸水池内部流场数值模拟和试验研究[J]. 水力发电学报, 2007, 26(2): 119-123, 118.

LIU Shuhong, FAN Yi, WU Yulin, et al. Numerical simulation and experimental research on flow in an open pump sump[J]. Jouranl of Hydroelectric Engineering, 2007, 26(2): 119-123, 118.

[6] 刘树红, 耿福明, 吴玉林, 等. 大型泵站水泵吸水池中流动稳定性研究[J]. 南水北调与水利科技, 2008, 6(1): 138-142.

LIU Shuhong, GENG Fuming, WU Yulin, et al. Flow stability research in the pump sump of large-scale pump station[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2008, 6(1): 138-142.

[7] 王自明, 王月华, 韩晓维, 等. 泵站进水池自由表面漩涡研究[J]. 中国农村水利水电, 2018(7): 158-160, 164.

WANG Ziming, WANG Yuehua, HAN Xiaowei, et al. Research on the free surface vortex in suction sump of pumping station[J]. China Rural Water and Hydropower, 2018(7): 158-160, 164.

[8] 郭苗. 进水池内涡旋流动的LBM-VOF数值模拟与实验研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2018.

GUO Miao. Numerical and experimental investigations on flow patterns and vortices in pump intake using LBM-VOF model[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018.

[9] 吴鹏飞. 进水池表面吸气涡动态过程及机理研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2018.

WU Pengfei. Study on dynamic process and mechanism of air-entraining vortices in pump sump[D]. Wuhan: Wuhan University, 2018.

[10] KHADEM Rabe B, GHOREISHI Najafabadi S H, SARKARDEH H. Numerical simulation of anti-vortex devices at water intakes[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management, 2018, 171(1): 18-29.

[11] 初长虹, 刘超, 孙玉民, 等. 泵站进水口淹没深度对漩涡的影响[J]. 南水北调与水利科技, 2019, 17(6): 178-186.

CHU Changhong, LIU Chao, SUN Yumin, et al. The influence of submerged depth of pump station inlet on vortex[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2019, 17(6): 178-186.

[12] 王本成, 詹杰民, 余凌晖, 等. 泵站进水池悬空高度水力特性数值模拟[J]. 水电能源科学, 2012, 30(11): 70-72.

WANG Bencheng, ZHAN Jiemin, YU Linghui, et al. Numerical simulation for flow characteristics of suspension height in suction sump of pump station[J]. Water Resources and Power, 2012, 30(11): 70-72.

[13] 周济人, 仲召伟, 梁金栋, 等. 侧向进水泵站前池整流三维数值计算[J]. 灌溉排水学报, 2015, 34(10): 52-55.

ZHOU Jiren, ZHONG Zhaowei, LIANG Jindong, et al. Three-dimensional numerical simulation of side-intake forebay of pumping station[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(10): 52-55.

[14] 宋希杰, 刘超. 基于V3V试验的泵站进水池内附底涡动力特性研究[J].农业机械学报, 2021, 52(6): 177-185.

SONG Xijie, LIU Chao. Investigation on dynamic characteristics of floor-attached vortex in pump sump by V3V[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(6): 177-185.

[15] 魏航. 泵站进水池自由表面漩涡及防护措施研究[D]. 扬州: 扬州大学, 2016.

WEI Hang. Study on free surface vortex of the pump sump and prevent measures[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2016.

[16] 刘超, 梁豪杰, 金燕, 等. 立式轴流泵进水流场PIV测量[J]. 农业机械学报, 2015, 46(8): 33-41.

LIU Chao, LIANG Haojie, JIN Yan, et al. PIV measurements of intake flow field in axial-flow pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(8): 33-41.

[17] 杨帆, 赵浩儒, 刘超, 等. 涡带工况下轴流泵装置内部脉动特性数值分析[J]. 应用基础与工程科学学报, 2017, 25(4): 670-678.

YANG Fan, ZHAO Haoru, LIU Chao, et al. Analysis on pressure fluctuation in axial-flow pumping system under partial load[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2017, 25(4): 670-678.

[18] 李大亮, 刘超, 汤方平. 开敞式进水池内部流动的3DPIV实验研究[J].中国农村水利水电, 2012(4): 102-106.

LI Daliang, LIU Chao, TANG Fangping. The application of 3DPIV to the flow measurements in opening pump sumps[J]. China Rural Water and Hydropower, 2012(4): 102-106.

[19] 孙洪亮, 刘亚坤. 进水口自由表面漩涡特性研究[J]. 水力发电学报, 2016, 35(4): 67-71.

SUN Hongliang, LIU Yakun. Characteristics of free surface vortices in hydraulic intakes[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(4): 67-71.

[20] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 泵站设计规范: GB 50265—2010[S]. 北京: 中国计划出版社, 2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Design Code for Pumping Station: GB 50265—2010[S]. Beijing: China Planning Press, 2011.

[21] KNAUSS J. Swirling Flow Problem at Intakes[M]. Rotterdam: Hydraulic Structures Design Manual, 1987.

[22] 济南市平阴田山电灌管理处, 华北水利水电大学. 引黄泵站运行特性数值模拟与应用研究[R]. 2009.

Pingyin Tianshan Electric Irrigation Management Office, North China University of Water Conservancy and Hydropower. Research on the numerical simulation and application of the operation characteristics of the Yellow River Diversion Pumping Station [R]. 2009.

[23] 济南市平阴田山电灌管理处, 华北水利水电大学. 田山引黄泵站水位-机组联动运行特性与试验研究[R]. 2016.

Pingyin Tianshan Electric Irrigation Management Office, North China University of Water Conservancy and Hydropower. Tianshan Yellow River Diversion Pumping Station Water Level-Unit Linkage Operation Characteristics and Experimental Research[R]. 2016.

[24] 高余鑫. 基于不同进水流速的泵站进水水流特性研究[D]. 郑州: 华北水利水电大学, 2021.

GAO Yuxin. Research on the characteristics of pumping station inlet water flow based on different inlet water flow rates[D]. Zhengzhou: North China University 0f Water Resources and Electric Power, 2021.

[25] 国家能源局. 火力发电厂循环水泵房进水流道设计规范: DL/T 5489—2014[S]. 北京: 中国电力出版社, 2014.

National Energy Administration. Technical code for design of inlet flow passage of circulating water pump house of fossil-fired power plant: DL/T5489—2014[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2014.

The Influence of Inlet Flow Rate on Surface Eddy in Pumping Stations

GAO Chuanchang, GAO Yuxin*, WANG Shunsheng, GAO Zhikai

(North China University of Water Conservancy and Hydropower, Zhengzhou 450045, China)

【】The inflow water velocity controls water flow pattern in pumping stations. Turbulence accompanied by the generated vortices not only reduces pump operation but also causes cavitation, vibration, thereby compromising pump operation. The purpose of this paper is to study the influence of inlet water flow rate on flow pattern, generation and development of vortices in a real pump station.【】The NX UG10.0 software was used to construct the physical model for water intake in the pump; three-dimensional turbulence for the pump station, including the closed intake channel, horizontal intake and open intake pool, vertical intake, were described using the Reynolds’ equation, VOF model and unsteady SSTmodel. The impact of the distribution of influent flow field and generation, change and distribution of the vortices at different influent velocities was simulated for two influent modes.【】When the critical submerged depth of the inlet was met, the vortex intensity at the inlet surface under the two inlet modes increased with the increase in the inlet flow rate, and the vortices appeared on the two inlet surfaces and the inlet water. When the horizontal inlet velocity in the closed inlet flow channel was 0.217～0.304, 0.349～0.448, 0.482～0.554, 0.575～0.661 m/s, their associated vortex type was Ⅰ-Ⅱ, Ⅲ-Ⅳ, Ⅴ and Ⅵ, respectively. When the open vertical inlet flow velocity was 0.322～0.402, 0.484, 0.521～0.564 m/s, their associated vortex type was Ⅲ, Ⅳ-Ⅴ and Ⅵ, respectively. Surface vortices were simultaneously generated in the water body of the open inlet pool with vertical water inlet and vortex in the water. The simulation results were consistent with experimental results. 【】For pumping stations with closed inlet channel and horizontal inlet method, the inflow velocity should be less than 0.349 m/s for the open inlet pool. For pumping stations with vertical water intake, the influent flow rate should be less than 0.322 m/s.

pumping station; inlet water flow rate; vortex; numerical calculation; model test

高传昌, 高余鑫, 汪顺生, 等. 泵站进水流速对2种进水方式的表面漩涡特性影响的研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 54-62.

GAO Chuanchang, GAO Yuxin, WANG Shunsheng, et al. The Influence of Inlet Flow Rate on Surface Eddy in Pumping Stations[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 54-62.

2021-09-13

国家自然科学基金项目（51309099，52079051）

高传昌（1957-），男。教授，主要从事流体机械及流体工程研究工作。E-mail: gcc@ncwu.edu.cn

高余鑫（1995-），男。硕士研究生，研究方向为流体机械及流体动力工程。E-mail: gaoyuxin19950117@163.com

S512.11

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021439

1672 - 3317（2022）03 - 0054 - 09

责任编辑：赵宇龙