泵站双节式拍门合理开启角度分析

陆伟刚，周秉南，陈华，夏辉，徐波*

（1. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009； 2. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127）

中国的泵站技术正处于快速发展阶段，泵站出水流道的断流方式应兼具安全性、可靠性和经济性，拍门断流由于造价低廉、管理方便等优点应用广泛.当采用拍门断流时，技术人员在拍门实际运行中对于拍门的开启角度、水力损失以及拍门对门座的冲击力等问题较为关心[1].国内许多学者对各种类型拍门的开启角度与水力损失、拍门受力以及门后水流流态的关系等水力特性进行了研究.杨帆等[2]采用模型试验同数值模拟结合的方式探究了整体式拍门的水力损失.朱红耕等[3]探究了整体式拍门产生水力损失的原因，以及拍门水力损失与整体装置效率之间的关系.拍门开启角度和水力损失之间具有一定规律，而且门后水流的流态也可以作为评判拍门工作状态好坏的标准.

双节式拍门与整体式拍门相比，其开启角度较大，水力损失小，闭门时对门座的冲击小.基于此，储训等[4]推导研究了双节式拍门的开启过程、开启角度经验公式以及其在静水中的运动.朱红耕等[1]探究了双节式拍门产生水头损失的原因，并推导出双节式拍门水头损失系数的经验公式.总体上，学者们对于双节式拍门开启角度的研究不够深入，仅仅从单一角度分析了水力损失与双节式拍门开启角度的关系.

文中将鹅湖泵站的双节式拍门作为研究对象，以水力损失和拍门门后水流流态为控制指标，对比分析拍门开启角度、水力损失和门后水流流态的规律，得出一个适用于该双节式拍门的较优开度范围，为双节式拍门在泵站的应用提供参考.

1 双节式拍门开启角度经验公式

鹅湖泵站双节式拍门开启角度采用文献[4]中推导的计算式，即

（1）

式中：α1，α2分别为双节式拍门上、下节门的开启角度；αm为拍门在静止状态下的倾角，在此取αm=10.00°；Mc1，Mc2，Mc12分别为上节门对上铰，下节门对下铰以及上、下节门对上铰的水流冲力力矩；Mg1，Mg2，Mg12分别为上节门浮重对上铰，下节门浮重对下铰以及上、下节门浮重对上铰的水流冲力力矩；h为双节式拍门的总高；h1为上节门的高度.

2 双节式拍门水力损失计算方法

2.1 水力损失理论计算方法

对于双节式拍门开启角度已知的前提下，其水力损失系数计算式为

（2）

式中：ξp为拍门水头损失系数.

拍门水力损失Δhp计算式为

Δhp=ξpv2/2g，

（3）

式中：v为水泵出口流速，m/s；g为重力加速度，m/s2.

2.2 水力损失试验计算方法

试验中拍门的水力损失用管道出口损失替代，计算断面（断面1-1和断面2-2）分别距离出口3.5和7.5 m，如图1所示.

替代后的双节式拍门水力损失计算式为

（4）

在对比流道水力损失时常常用到流量系数C，流量系数越大，对应水力损失越小，其计算式为

（5）

式中：Q为流量，m3/s.

2.3 双节式拍门水力损失模型试验介绍

双节式拍门水力损失模型试验在扬州大学泵站试验台上进行.原模型比尺取为5∶1，拍门内、外水位可在主机屏幕中显示.在拍门下方布置门外的水位测点，在门内侧0.05 m处的涵管底部布置门内的水位测点.流量通过标准孔板测量.标准孔板为不锈钢材质，采用法兰取压.模型试验过程中，在距离拍门模型出口内侧0.7 m和外侧1.5 m处设置测速点，并在同一位置处的流道底部连接测压管.

3 双节式拍门数值模拟理论方法

3.1 控制方程和湍流模型

数值模拟控制方程采用连续性方程和雷诺时均N-S方程[5].湍流模型为Realizablek-ε模型[6]，方程的数值解法采用SIMPLEC算法[7-8].

3.2 边界条件、网格划分及无关性分析

进口边界条件选择流速进口[9]，流速设为1.8 m/s.出口边界条件选择压力出口，压力为1.01×105Pa，其余均设置为固壁边界.

采用Mesh软件对计算区域进行网格划分.整体结构的网格精度设置为0.2，拍门面板局部加密，网格精度设置为0.05.以网格总数的1.2倍逐渐递增进行无关性分析[10-11].当水力损失稳定时，网格数最小为899 721.

3.3 断面流速均匀度

安装拍门后需要考虑水流在涵管内的发展，要求在涵管的流态相对稳定，流速分布相对均匀.断面流速均匀度常常被视作一个判断指标，来反映出口断面的流场环境[12].流速均匀度越大，代表该断面的速度分布越均匀，流态就越好.流速分布均匀度计算式为

（6）

4 双节拍门合理开启角度分析思路

对于双节式拍门，位于不同拍门开度时，其出口断面水力损失不同，门后流态也不同.文中对流量和拍门开度进行交叉对比，分析在不同流量和不同开度情况下拍门的水力损失和门后流态，选择出最佳的拍门开度，分析流程如图2所示.

在进行拍门断流设计时，一般会思考2个问题：一是拍门开启角度太小，致使水力损失过大；二是当机组停泵时，由于拍门自重以及水流反推力，拍门对门座会造成极大的冲击力，特别是当开启角度过大时，闭门时长较长，对门座造成的破坏更大.所以选择合理的开启角度对实现泵站稳定运行有极大的意义.

5 工程实例分析

5.1 基本资料

鹅湖泵站设计流量为16 m3/s，双节式拍门宽度为3.24 m，总高度为3.30 m，上、下门之间设有下铰段0.4 m，上节门门页高度为1.7 m，下节门门页高度为1.2 m.拍门在静止状态下的倾角αm=10.00°.利用三维建模软件UG对计算区域进行建模.计算区域模型如图3所示.

5.2 双节式拍门开启角度计算结果

为了探究双节式拍门在流量逐渐增大至设计流量过程的开度范围，主要计算在2～16 m3/s（每个流量方案间隔2 m3/s）流量条件下，上、下节门实现稳定开启时的角度，计算结果见表1.

表1 各方案拍门开度结果

由理论计算可知，达到设计流量时，双节式拍门开启角度可达到上节门53.00°左右，下节门67.00°左右.

5.3 基于水力损失确定较优开启角度

5.3.1 基于理论的水力损失计算结果

将数据带入式（2），（3），可以得出各方案的拍门理论水力损失，结果如表2所示.由表可知，随着流量逐渐增大，双节式拍门开启角度逐渐增大，但对应拍门出口断面水力损失却随之减小.对比文献[13]中整体式拍门在流量为10 m3/s，拍门开启角度约为45.00°工况的水力损失系数，双节式拍门在相同工况的水力损失系数远小于整体式拍门，说明双节式拍门具有更加优良的结构形式.由表中数据可知，当流量大于12 m3/s时（即上节门开度大于45.84°，下节门开度大于63.81°时），虽然拍门开启角度仍在增大，但是出口断面的水力损失已经稳定在75 mm左右.由此可以得出，流量为12～16 m3/s时所对应的双节式拍门开度为较优的拍门开度.

表2 各方案拍门水力损失

5.3.2 水力损失数值模拟和模型试验结果分析

基于水力损失理论分析结果，共设计4种拍门开度方案，分析在不同开度下拍门水力损失同流量的变化规律.表3为各方案的上、下节门固定开启角度.模型试验以及数值模拟的水力损失对比如图4所示.

表3 各方案上、下节门角度

观察图4中的曲线，双节式拍门的水力损失随着流量增大而增大，随着开启角度增大而减小.这与文献[13]中整体式拍门模型试验得出的规律一致，而且双节式拍门的水力损失更小、开启角度更大，说明双节式拍门的水力特性比整体式拍门更好.如方案1所示，拍门小开度工况下，流量对水力损失的结果影响显著.通过方案2的试验结果可以看出，水力损失随流量变化曲线已经较为平缓，但在流量大于15 m3/s后，水力损失的变化还是较为明显.在方案3，4中，双节式拍门造成的水力损失已经减小到70 mm以下，通过与方案1和方案2比较可以发现，流量的增大对水力损失的影响已经很小.数值模拟得出的水力损失同流量变化的规律与模型试验所呈现的规律相同.综合来看，在双节式拍门上节门开度达到46.00°左右，下节门开度达到64.00°左右时，水力损失较小而且其大小几乎不随流量增加发生变化.由此可以得出，方案3和方案4的拍门开度范围可以作为鹅湖泵站双节式拍门的较优开度.

5.3.3 拍门水力损失结果对比分析

鹅湖泵站的设计流量为16 m3/s，在该流量下数值模拟得出的流量系数以及泵装置效率下降值，同模型试验结果以及理论计算结果如表4所示.

表4 3种方法的计算结果比较

分析表4数据，数值模拟和模型试验所得出的流量系数C大小接近，理论分析所得的拍门流量系数C小于数值模拟和模型试验所得出的流量系数C，说明理论分析所得的水力损失大于模型试验以及数值模拟所得的水力损失.这是由于在进行双节式拍门水力损失理论计算过程中并没有考虑流道断面突变引起的流速变化.

对比3种方法计算得出的流量系数C可知，双节式拍门开启角度越大，对应的流量系数C越大，拍门水力损失越小.当上节门开度为46.00°左右、下节门开度为64.00°左右时（即方案3），3种计算方法中因拍门水力损失引起的效率减少值η1已降至3%左右，而且随着开启角度增大，拍门对泵装置性能乃至泵站运行的影响在逐渐减弱.因此选择方案3到方案4的双节式拍门开启角度范围作为鹅湖泵站双节式拍门开启角度的较优开度.

5.4 基于门后流态确定较优开启角度

5.4.1 门后断面流速影响分析

将无拍门时出水涵洞的门后断面流速作为参照，以4种拍门开启角度方案为研究对象，对门后断面的流态进行研究.图5为流量为16 m3/s工况下不同方案的门后断面流速矢量图.

分析不设拍门方案可知，水流自水泵出口顺直流出，且高速水流分布在涵洞中部.观察5个方案的流态可知，当双节式拍门的开启角度变大时，出口断面的高速水流区出现的位置从拍门下沿不断上移，其面积不断变大.与文献[2]中整体式拍门的门后水流流态一致，在运行过程中双节式拍门在两侧出现对称的旋涡区.随着拍门开启角度增大，旋涡区的面积逐渐减小，最终将会与无拍门工况接近.可以发现在方案3，4对应的开启角度工况下，高速水流区的面积较大，水流流态较好，旋涡区的面积相比于其他方案对流态的影响较小.

5.4.2 出口轴向流速均匀度的影响分析

将无拍门方案的出水涵洞流速均匀度作为参照，分析布置双节式拍门和开启角度对流速均匀度的影响.在涵管内等距离选取7个断面，并计算各断面的流速均匀度.图6为方案3的断面流速云图.

观察方案3的断面流速云图可知，水流流出拍门后，在断面下方存在高速水流区，随着水流向涵管远处流动，高速水流区逐渐向涵管两侧扩散，水流呈现螺旋式前进.图7为5个方案的断面流速均匀曲线.

从图7可以看出，无论有无拍门，流速均匀度γ均随着距离d的增大而增大.由方案1，2可知，当拍门开度较小时，随着距离增大，涵管内的流态随之改善，但其出口处的均匀度指标比未设拍门方案的均匀度指标低.观察方案3的流速均匀度可知，在断面5处的流速均匀度已经比不布置拍门方案在同一段面处的流速均匀度大.说明在拍门开度位于上节门46.00°、下节门64.00°时，涵管内流态可实现完全发展，拍门对门后水流的影响可忽略.若拍门开度不断增大，涵管内流态完全发展所需的距离就更短.如方案4，在断面3处的流速均匀度指标已高于不布置拍门方案的流速均匀度指标.

根据门后水流流态以及出口轴向流速均匀度结果分析，方案3和方案4的拍门开度范围作为鹅湖泵站双节式拍门的较优开度范围是合理的.

5.5 分析与讨论

通过对比分析双节式拍门水力损失的理论计算、模型试验和数值模拟结果，得出方案3（上节门46.00°，下节门64.00°）和方案4（上节门53.00°，下节门70.00°）的双节式拍门水力损失整体较小，水力损失受流量的影响较小，且在该开启角度范围内，水泵效率减少值仅为1.00%～3.00%.因此将方案3到方案4的拍门开度作为鹅湖泵站双节式拍门开启角度的较优解.

利用数值模拟的方法对双节式拍门门后水流流态以及轴向流速均匀度进行了分析.发现双节式拍门的开度越大，高速水流区的面积越接近无拍门方案，水流流态越好.在方案3和方案4所对应的双节式拍门开启角度下，与无拍门方案相比，旋涡区面积显著减小，流态有较大改进，而且涵管内的流速均匀度指标高于无拍门方案的.因此，方案3和方案4的拍门开度范围作为鹅湖泵站双节式拍门的较优开度是合理的.

根据水力损失和拍门门后水流与双节式拍门开启角度的对比分析，对于鹅湖泵站双节式拍门，上节拍门的合理开启角度约为46.00°～53.00°，下节拍门的合理开启角度约为64.00°～70.00°.泵站拍门技术导则中建议的双节式拍门、上节拍门开度宜大于50.00°，下节拍门开度宜大于65.00°，上、下节门开度差不宜大于20.00°.与之相比，鹅湖泵站双节式拍门所得的较优开启角度范围下限略低.因此，基于多角度出发研究拍门开启角度与水力损失以及拍门门后流态的影响，得出具体泵站双节式拍门的合理开启角度范围具有一定意义.

6 结 论

1） 双节式拍门水力损失理论公式计算结果与模型试验和数值模拟的结果相比相差不大，说明双节式拍门理论计算公式具有较高的准确性，可在双节式拍门的研究中推广应用.

2） 在上节拍门开启角度约为46.00°～53.00°，下节拍门开启角度约为64.00°～70.00°，双节式拍门水力损失整体较小，水泵效率减少值小，而且门后流态较好，能在涵管内充分发展，可以作为鹅湖泵站双节式拍门的较优开启角度.

3） 从多角度出发对比分析得出的双节式拍门合理开启角度的研究方法是合理可行的，其为拍门的开启角度研究提供了一个新的思路，值得在其他类型拍门合理开启角度研究中推广应用.