高扬程离心泵出水管虹吸特性分析及优化措施

李远余，王金旋，冯金海，2，陈建福

（1.哈尔滨电机厂责任有限公司，黑龙江 哈尔滨 150040；2.水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

虹吸式出水流道断流方式简单可靠，且可有效阻断出水池高水位，在较低扬程泵站广泛应用。虹吸管其性能主要由水力损失和虹吸形成时间两个指标来衡量。虹吸形成过程划分为3 个阶段：水力驱气、水力挟气和虹吸稳定流[1]。水泵启动后，水力驱气阶段水流将输水管道内空气排出；水力挟气阶段，以气水混合物的形式将空气挟带出虹吸管，直至进入虹吸稳定流动状态，水力挟气阶段时间较长。在虹吸形成过程中，水泵扬程会升高并伴随流量减小。因此，若虹吸形成时间过长或者未能形成虹吸，会导致水力损失增大、机组振动等危害[2]。

国外学者K. Babaeyan-Koopaei 等[3]通过试验，分析得出驼峰段滞留气囊会导致虹吸管的排泄流量降低。国内张金凤、蔡海坤[4]等人认为，输水管道窝气会减小有效过流面积，导致系统水力损失增加。徐磊[5]等人认为采用Standard k-ε 湍流模型计算结果与模型试验结果最为吻合。陆林广、刘荣华[6]等人发现在低扬程下，虹吸式出水流道的水力损失明显小于直管式出水流道。罗爽、赵文胜[7]通过实验发现，气团迎流面所受到的水流动压力与粘性力是水流能否将气团整体挟带出驼峰流道形成虹吸的决定性因素。吴志峰、陈松山[8]对比带有不同孔径真空破坏阀虹吸管的启动过程，结果显示，带有真空破坏阀的虹吸形成时间缩短近30%，且虹吸形成时间与真空破坏阀直径呈负相关关系。陈曜辉、徐辉[9]等人通过数值模拟和试验结合的方法对比了不同断面形状的虹吸管的水力特性，发现渐变断面虹吸管的虹吸形成时间短，但其水力损失相对较大，降低泵站经济效益。

本文对某泵站高扬程离心泵，通过CFD（computational fluid dynamics）手段结合某典型离心泵虹吸特性进行分析，从运行安全性、泵站经济性角度出发，提出有效优化措施，为泵站提供最佳虹吸技术方案。虹吸特性分析和改善措施可为后续采用虹吸出流型式离心泵站提供重要参考意见，并为推进我国水泵项目技术进步作出相应贡献。

1 虹吸管设计

1.1 设置条件

某黄河岸边取水泵站，泵房内布置6 台立式单级、单吸蜗壳离心泵，泵站设计流量为27 m3/s，设计扬程为116.3 m，泵站采用“正进正出”，两泵并联至一排管道的布置型式。

该工程在取水枢纽处受地形及工程布置限制，不具备设置沉沙措施的条件，水泵过机平均含沙量为3.3 kg/m3，日含沙量最高可达20 kg/m3以上。超大泥沙含量给机组安全稳定运行带来极大风险，尤其是停机泥沙回流，可造成水泵出水阀门堵塞，运行维护成本增加。相关专家创造性提出在高扬程离心泵使用虹吸出流型式，期望彻底解决水流回流带来泥沙倒灌的危害。

1.2 管径计算

虹吸管驼峰出水流速一般在2.0 m/s～2.5 m/s，考虑到单泵运行时流速过小增加虹吸形成时间，因此选择双泵运行时流速为2.5 m/s。根据公式

取管道直径d=2.4 m。为了防止突发事件发生时倒吸，在驼峰最高处装有真空破坏阀，确保停机时实现自动断流，真空破坏阀直径为300 mm。

1.3 虹吸管最高点真空度计算

式中:Hs为虹吸管的真空值；Zs为驼峰最高处与上游水面的最大距离，Zs=6 m；h损失为驼峰至出水断面的水力损失，h损失=0.075 m；V为虹吸管管道流速，V=2.48 m/s。

虹吸管最高处的最大真空度按不大于8 m 设计，通过计算可知，当水库水位处于最低水位时，虹吸管最高点真空度为6.24 m，可保证虹吸管的稳定运行。

2 数值模拟

2.1 模型建立

本文针对圆形管道、方形管道建立多种三维模型，使用六面体结构化网格，无关性验证后确定网格数量为1.56×107个，三维模型和网格见图1。

图1 管道三维模型及网格模型

利用ANSYS CFX 软件进行模拟，采用速度进口边界条件，其速度大小与管路中的实时扬程相关，其关系由水泵特性决定。本模拟为便于比较不同方案，均设定进水池水位779.89 m，出水池水位893.3 m。出口采用自由出流，压力为0 Pa 的边界条件；流体区域采用SST 湍流模型；采用经典VOF 模型，定义自由面表面张力系数，气液两相为协同模型。非定常计算初值：初始时刻管路中全部为空气，初始水位设定在管路进口；出水池水位893.3 m，仿真过程中水位高度不变。

2.2 单泵启动工况

图2 为圆形及方形虹吸管虹吸过程，在t=57 s时均完成水力驱气，水流进入水力挟气阶段。水经过驼峰后沿着下降段下壁流动，在驼峰顶部形成气囊，从图中可看出，同时间情况下圆管残留气囊体积明显大于方形管，同时，方管中的水流在接触水面时击起出口附近水体，并挟带大量气体流出。圆管内水体流动相对稳定，下降段内水位逐渐上升，下降段水流将水流表面空气逐渐带出。在t=192 s 时方管内气囊基本以气水混合的型式存在，水流将以较快速度携带出全部空气；圆管内仍然存在少量空气囊，与水体呈现出明显的分层，排气过程相对滞后。在t=320 s 时方形管内部空气已排尽，形成稳定虹吸出流，圆管直至t=634 s 才形成虹吸。

图2 Q=5.6 m3/s 时不同型式虹吸管的虹吸过程图

由上述可知，方形管在驼峰处更利于气水相接，其下降扩散段可使气体更容易形成气团，将气体快速排出管道。圆管内水体与气囊分层明显，水体排出管道相对迟缓，导致水力挟气阶段花费大量时间。在同等条件下，方形管路形成虹吸时间可减少50%。

2.3 水力性能比较

本文为了充分说明两种管型的水力性能，对形成虹吸后其水力损失及速度场进行稳态分析。图3为不同流量下对应水力损失曲线，水力损失与流量正相关，且方管的损失约为圆管的2 倍。在流量小于3.6 m3/s 时，水力损失变化较为缓慢，当流量大于3.6 m3/s 损失近似呈指数型式增长增大，说明在选择虹吸管型式时应充分考虑流量对其影响。

图3 两种虹吸管不同流量下水力损失

图4 不同工况时两种虹吸管的速度云图

表1 为不同型式虹吸管的综合性能。可以看出，驼峰断面水体的流速是虹吸形成时间的关键因素，对于同一虹吸管，增大流量后形成虹吸的时间大大缩短。对于不同的虹吸管，方管驼峰断面的平均速度小于圆管的，但其最大速度大于圆管，这说明增加最大流速有利于虹吸的形成。

表1 不同型式虹吸管的综合性能

从速度云图可看出，圆管内速度分布较为均匀，高速区主要集中在驼峰处，，驼峰断面处主流区由管壁向中心的速度梯度小，速度变化更均匀，因此水力损失更小，同时也导致形成虹吸的时间较长；渐扩管高流速区在上升段进口处，下降段流速由壁面向中心逐渐降低，在驼峰处该现象更为明显，驼峰断面处主流区由管壁向中心的速度梯度大。水体到达下降段时发生脱流，因此可以挟带更多空气，形成虹吸的时间大大缩短，但同时也导致更大的水力损失。

2.4 倾角优化比较

本文提出了下降段倾角为30°、45°和60°（B30、B45 和B60）3 种方案，进行虹吸式出水管优化。图5、图6 展示了水力驱气完成和水力挟气完成时刻水体积分数云图。B30 水力驱气所耗费时长最短，但无法形成虹吸，B45 和B60 方案均可顺利完成稳定虹吸现象。由此可以看出，增大倾角B有利于实现虹吸。此外，降低上升段流速，可加快消除驼峰处真空团的进程。

图5 不同方案水力驱气完成水体积分数云图

图6 不同方案水力挟气完成水体积分数云图

图7 分别展示了3 种方案的驼峰压头曲线，可以看出，3 种方案在水力驱气阶段扬程急剧增加，流量急剧减小，驼峰压力缓慢减小。在水力挟气阶段，扬程先减小之后趋于稳定，流量先增加之后趋于稳定，驼峰压力先急剧减小，之后由正压转变为负压，急剧减小最后趋于稳定。在整个虹吸形成过程，3种方案驼峰处最高正压头均为3.6 m，而最高负压头有所不同，B30、B45和B60最高负压头分别为2.2 m、2.5 m、2.4 m。

图7 不同方案驼峰压头曲线

根据虹吸式出水管虹吸形成过程的相关研究，虹吸式出水管内的流速分布大多不均匀，特别在驼峰段和下降段，水流急剧转向，易在管道下降段下侧形成较大范围的脱流，并在管道驼峰段或下降段形成真空，加剧虹吸形成时间。从流体力学角度分析，当流体过驼峰处流速过大，将会在下降段下侧形成脱流，造成真空团；当流体过驼峰处流速过小，将无法在驼峰处形成满流，造成驼峰处形成真空团。造成圆管出口方案虹吸形成时间较长的表面现象是驼峰处的真空团，其根本原因是流体过驼峰处的流速相对较小，因此，提高流体过驼峰处的流速是优化虹吸压力管道最佳方向。

3 结论

（1）驼峰处空气滞留时间是虹吸形成时间的关键因素，方管更有利于滞留气团的排出，缩短虹吸形成时间，但圆形断面会有更小的水力损失，流动更稳定，选用虹吸管型式时需综合考虑。

（2）流速是影响虹吸形成的主要因素，合理控制驼峰断面特征尺寸可缩短虹吸形成时间，但是过大的流速会增加水力损失，因此在工程应用中应同时考虑虹吸效果和水力损失。

（3）虹吸出口倾角过小时无法形成虹吸现象，适当增大倾角有利于虹吸形成。

（4）高扬程离心泵均用圆形钢管输送，考虑到土建成本以及加工难度，最终推荐圆形虹吸出流形状。

参考文献：

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[8] 吴志峰．大型虹吸式流道泵装置水力瞬变特性研究[D]．扬州：扬州大学，2021．

[9] 陈曜辉，徐辉，冯建刚，等．断面形状对虹吸式出水流道水力特性的影响[J]．水利水电科技进展，2022，42（1）：47-52．