泵站进水池内部流动特性研究

李明 王勇 张子龙 熊伟 刘厚林

摘要：

泵站进水池内流态的好坏会直接影响到泵的工作效率以及整个泵站的安全稳定运行。基于CFX，使用Realizable k-ε湍流模型研究了不同水位和流量工况下进水池内表面涡特性以及流速均匀性动态变化规律。结果表明：当水位为600 mm时，小流量工况下两侧表面涡分布不对称，随着流量增大，两侧表面涡相互影响程度减小；当水位为800 mm时，不同流量工况下两侧表面涡分布均对称；当水位为1 000 mm时，小流量情况下两侧表面涡分布对称，随着流量增大，两侧表面涡相互影响程度增大。随着特征截面水位降低，进水池内特征截面的旋涡总环量增加，且旋涡总环量与水位成反比，与流量成正比；泵进口断面流速分布均匀度随着流量的增加而先增大后减小，随水位的增加而增大。研究成果可为进水池的结构优化提供参考依据。

关 键 词：

进水池； 表面涡； 流速分布均匀度； 旋涡总环量； 数值模拟

中图法分类号： U462.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.035

0 引 言

泵站进水池是水泵直接从中取水的水工建筑物，进水池作为前池和水泵叶轮室的过渡段，是泵站不可或缺的组成部分。泵站进水池的主要作用是为泵进口提供稳定均匀的进水条件，保证泵在水力设计状态下安全稳定运行［1-2］。然而进水池内存在的各种旋涡会导致空化、附加振动和叶片负载过大，会直接影响泵站的运行效率和安全性能［3-5］。因此有必要对进水池的内部流动特性进行研究，以探究提高进水池流动稳定性的方法。

近年来，国内外不少学者对进水池的内部流动特性进行了物理试验和数值研究。何耘［6］将进水池中的旋涡分为自由表面旋涡和水中旋涡两种；美国Alden实验研究室通过实验观察到的现象，依据表面涡强弱将其分为6种类型［7］；Ansar［8］、Rajendran［9］、李永［10-11］、李大亮［12］、刘超等［13］分别通过模型试验的方法，采用粒子图像测速（PIV）、声学多普勒流速仪（ADV）对进水池旋涡特性进行测量研究；杨帆［14］、宋希杰［15］和Cheng等［16］分别对进水池内部流动特性进行了数值模拟，总结并分析了水中旋涡对进水池内部流动特性的影响；张德胜［17］、吴鹏飞等［18］采用CFD和模型试验相结合的方法分析了泵站进水池内的旋涡形成机理。综上所述，国内外学者对进水池内部流动特性进行了各种探索，并对旋涡形成、抑制机理进行了研究。但事实上，不同水位和不同流量工况下进水池的内部流动往往会呈现不同的特性，目前对此研究还较少。

本文以开敞式进水池为研究对象，采用CFX对不同水位和流量工况下的进水池内部流动特性进行研究，分析了进水池表面涡动态特性、表面涡环量特性和流速均匀度变化规律，为进水池的工程优化提供参考依据。

1 数值计算方法

1.1 计算模型

图1为进水池关键几何参数及计算域示意图，该计算域主要包括上游水箱、进水流道、喇叭口、叶轮、导叶和出口管道。其中混流泵设计转速n=1 875 r/min，比转速ns=698.5，叶轮直径d=180 mm。混流泵在设计流量Qd=518 m3/h工况下运行时，扬程为3 m，效率为60％。进水喇叭口直径D=1.62d，与底面间的距离h=d，进水池宽度B=2.75d，进水管中心与后墙间的最小距离C=d，液面高度为H，进水池长度L=6d。

1.2 网格划分及无关性验证

根据计算域的复杂程度，采用ICEM软件选择结构性网格和非结构性网格2种方式对计算域进行网格划分。为了提高数值模拟结果的准确性，对喇叭口以及自由液面进行网格划分时采用局部加密处理，将计算域中的网格尺度y+维持在30～500之间［19］，以保证壁面处的水流状态能够准确反映出来。具体网格划分结果如图2所示。

为了提高计算效率，同时保证一定的计算精度，需要对计算模型进行网格无关性验证。选取计算域网格数量分别为：125万，267万，375万，490万，550万，670万，790万，865万共8套划分方案进行网格无关性验证，选择进水池总水力损失，即进水池进口断面到出口管出口断面的水力损失为评判标准。在设计流量Qd=518 m3/h下，不同水位工况下的总水力损失如图3所示，由图3可知：随着网格数的增加，总水力损失呈增大的趋势，在网格数大于550万之后，水力损失的变化范围小于5%，达到了网格无关性验证的要求。因此，本次研究选择数量为550万的网格进行后续数值计算。

从图8可以看出：在φ增加至0.929的过程中，两侧旋涡强度差异变小，进水池流态稳定性随着φ值增加而增强，且在φ=0.929时两侧旋涡位置对称性最好，进水池流态最稳定。随着φ继续增加，左侧旋涡强度明显高于右侧，右侧旋涡被吸入左侧，进水池流态开始变差。

从图9可以看出：当φ由0.637增加至0.929时，两侧旋涡强度差异逐渐减小，旋涡的偏离程度减小，进水池流态变好。当φ继续增加时，可以明显发现右侧旋涡强度高于左侧，左侧旋涡被吸入右侧，左右两侧旋涡强度不对称性增强，进水池流态变差。

3.1.3 进水池表面涡环量特性

进水池内表面涡的强度超过允许值时，会形成严重的旋涡塌陷，在旋涡塌陷的过程中还夹杂着气带，易产生吸气涡，造成叶片空化、振动和结构颤振等负面影响，影响泵的运行效率和寿命。图10为不同水位和流量工况下进水池内各特征截面上（B略写）的旋涡总环量分布情况。从图10中可以看出：不同水位和流量工况下，特征截面旋涡总环量的最大值处于喇叭管进口的位置上，随着截面水平位置的上升而依次减小，在自由液面处旋涡总环量值最小。这主要是因为在泵吸入口复杂流态相互干涉，随着截面位置的不断上升，流体运动逐渐趋于稳定，削弱了大旋涡环量的产生。另外，淹没深度也会影响旋涡的强度，随着淹没深度的降低旋涡強度会出现反比例增加的趋势，可以看到H0=600 mm时，旋涡环量值明显高于其他两种水位工况。

3.2 进水池流速均匀度

不同流量和水位工况下泵进口断面流速分布均匀度如图11所示。从图11中可以看出：在不同水位工况下，泵进口断面流速分布均匀度均随φ值的增大而先增大后减小，且均在φ=0.929附近达到最大值。结合图7～9的表面涡强度关系可知，在各水位工况下，特征截面B8的表面涡分布位置不对称度均随着流量的增大而先减小后增大，在φ=0.929附近时不对称度最小，由此可推知泵进口断面流态稳定性先增强后减弱且在φ=0.929附近流态最佳。同时可以发现，泵进口断面流速分布均匀度随着水位的增加而增大，增加幅度随着φ值的增大而增大，且在水位较低时增大幅度更明显，这是因为输送流量相同时，水位越高，液面流动受液下流动的干扰越小，液面流动速度较小，不容易产生涡结构，因此流态更好，从而具有更大的速度分布均匀度。水位较低时，液面流态对水位的变化极为敏感，水位的细微变化都会引起液面流态剧烈变化，因此在水位较低时，流速分布均匀度随水位变化较为明显，然而当水位突破某一临界高度后，液面流态对水位的敏感度大幅度降低，受到液下流动的干扰作用减小。因此当水位继续升高时，液面流态改善效果并不明显，从而流速分布均匀度提高幅度较小，可以预见，若水位继续升高，由于流动已经相对稳定，此时流速分布均匀度的变化将不显著。

4 结 论

本文采用数值模拟的方法，对不同流量和水位工况下进水池的内部流动特性进行了研究，对特征截面表面涡的动态变化和进水池流速均匀性进行了分析，得到以下结论：

（1） 进水池后壁处两侧表面涡相互耦合，造成左右表面涡的不对称性和不稳定性，尤其在高水位大流量和低水位小流量工况下，该现象较为明显。

（2） 不同水位和流量工况下，特征截面上旋涡环量与特征截面水平位置成反比例关系，并且在低水位工况下旋涡环量值高于其他工况，若泵在低水位工况长时间运行，建议在泵入口位置设置阻涡装置以改善进口流态。

（3） 泵进口断面流速分布均匀度随着流量的增加，先增加后减小，在φ=0.929附近达到最大值。

参考文献：

［1］ 关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1995.

［2］ 王福军.水泵与水泵站［M］.北京：中国农业出版社，2005.

［3］ 肖若富，李宁宁.进水池形状对吸入涡影响试验研究［J］.排灌机械工程学报，2016，34（11）：953-958

［4］ 劉超.轴流泵系统技术创新与发展分析［J］.农业机械学报，2015，46（6）：49-59.

［5］ 陈义春，张慧，戴盛，等.小型泵站吸水井进水管位置数值模拟［J］.排灌机械工程学报，2017，35（11）：962-967.

［6］ 何耘.水泵进水池旋涡研究的主要进展［J］.水力发电学报，2004（5）：92-96.

［7］ PADMANABHAN M，HECKER G E.Scale effects in pump sump models［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1984，110（11）：1540-1556.

［8］ ANSAR M，NAKATO T.Experimental study of 3D pump-intake flows with and without cross flow［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2001，127（10）：825-834.

［9］ RAJENDRAN V R，PATEL V C.Measurement of vortices in model pump-intake bay by PIV［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2000，126（5）：322-334.

［10］ 李永，李小明，吴玉林，等.封闭式水泵吸水池内部流动的PIV量测［J］.农业工程学报，2001（3）：45-48.

［11］ 李永，李小明，张波涛，等.水泵吸水池内部流动PIV试验的深入分析［J］.工程热物理学报，2002（2）：190-192.

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

［13］ 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.

［14］ 杨帆，刘超，汤方平，等.箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力特性分析［J］.农业工程学报，2014，30（4）：62-69.

［15］ 宋希杰，刘超，罗灿，等.轴流泵装置中侧壁漩涡特性及消涡研究［J］.流体机械，2018，46（6）：4，27-32.

［16］ CHENG B，YU Y.CFD simulation and optimization for lateral diversion and intake pumping stations［J］.Procedia Engineering，2012，28：122-127.

［17］ 张德胜，李普熙，赵睿杰，等.泵站进水池吸入口涡旋结构及湍流特性的大涡模拟［J］.农业机械学报，2019，50（10）：134-141.

［18］ 吴鹏飞，郭志伟，钱忠东，等.进水池表面吸气涡数值模拟与试验［J］.农业机械学报，2018，49（2）：120-125.

［19］ 资丹，王福军，陶然，等.边界层网格尺度对泵站流场计算结果影响研究［J］.水利学报，2016，47（2）：139-149.

（編辑：胡旭东）

Abstract：

The flow pattern in the intake tank of pumping stations directly affects the working efficiency of pumps，and even the safe and stable operation of the whole pumping station.In this paper，based on CFX software，the Realizable k-ε turbulence model was used to study the dynamic changes of surface vortex characteristics and velocity uniformity in the intake tank under different water level and flow conditions.The results showed that when the water level was 600 mm，the distribution of surface vortex on both sides was asymmetric under small flow conditions.With the increasing of flow rate，the mutual influence of surface vortex on both sides decreased.When the water level was 800 mm，the surface vortex distribution on both sides was symmetrical under different flow conditions.When the water level was 1000 mm，the distribution of surface vortex on both sides was symmetrical under small flow conditions.As the flow rate increased，the mutual influence of surface vortex on both sides increased.With the decreasing of the water level at the characteristic sections，the total circulation of the vortex in the characteristic sections of the intake tank increased.The vortex total circulation in the section was inversely proportional to the water level and proportional to the flow.The velocity distribution uniformity of the pump intake section first increased and then decreased with the increase of flow rate，while it increased with the water level.

Key words：

intake tank；surface vortex；velocity distribution uniformity；vortex total circulation；numerical simulation