循環水泵房正向進水前池水力性能試驗研究

李 敏，范麗娟

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

火力發電中，循環水泵房進水前池的水力性能是否穩定對循環水泵的安全和高效運行都至關重要，對循環水泵房的土建合理投資也有指導作用[1]。泵站設計規范[2]規定，泵站前池布置應滿足水流順暢、流速均勻、池內不得產生渦流的要求。如果進水前池的形狀、尺寸設計不合理,容易在池內形成不良流場。前池是泵站的進水建筑物[3]，將引水管道中的來水均勻地分配給各流道；當水輪機引用流量迅速改變時，前池的容積可起一定的調節作用，因此，引水管道與泵房進水前池的銜接，應盡量保證泵房進水前池有良好的流態，保證水流能均勻平穩地進入吸水室，避免回流和渦流的產生。本文研究將通過物理模型對循環水泵房進水前池進行系統的水力特性試驗研究，并結合試驗數據分析其水力性能，優化原設計方案，提出合理的改進措施，保證循環水泵的安全運行。

本文按重力相似準則設計正態物理模型，針對工程布置的特點，即進水前池與引水明渠呈直“T”形布置，研究該結構下前池流場及流速分布情況。試驗設計了循環水泵全部開啟的情況，通過對水流流態、典型斷面流速分布、水位的觀測，分析了各斷面橫向縱向水流的分布特點，同時研究其產生機理及影響。

2 研究方法

2.1 物理模型設計

本試驗基于某實際工程設計模型，根據研究目的和要求，試驗對前池流場進行了主要探測，進水前池結構：長（沿水流方向）×寬＝30.0 m×26.8 m。自流引水管：采用鋼筋混凝土箱涵，單根截面凈空尺寸b×h＝3.5 m×3.5 m，設計流速為2.23 m/s，進水前池與引水明渠呈直“T”形布置。

為保證模型試驗的精度，試驗采用正態模型，模型全部采用優質有機玻璃加工制作，一般有機玻璃板的糙率在0.007～0.009之間，模型用優質有機玻璃制作能滿足糙率相似要求，從而滿足阻力相似。幾何比尺Lr=10，模型試驗占地面積約為32 m×8 m。

根據模型試驗相似原理，要保證不同尺度（λL≠1）的兩個流體運動的完全相似幾乎是不可能的，通常是根據原型流體運動的特性，確定出主要影響的作用力，選擇合適的相似準則進行模擬。一般情況下，泵房進水流道水工模型試驗是在幾何相似的前提下，依據Fr相似準則設計和運行模型，有條件地放松對雷諾數相似條件的要求。

本項試驗綜合國內外文獻[4]，主要考慮以下相似條件：

重力相似（Fr數相似）

其流量和流速比尺分別為：

流速比尺：Vr=L0.5r=3.162

流量比尺：Qr=L2.5r=316.2

阻力相似：nr=L1/6r=1.46

2.2 測點布置

為了便于分析水流特性，在進水前池內設有3個測速斷面，每個斷面設5條垂線。每條測速垂線都從底部0.2 m起測，間距1 m布置測點（見圖1和圖2）。水面流場形態：采用直接觀察和拍照的方法。

圖1 流速測點垂向分布

圖2 流速測點橫向分布

2.3 試驗器材

（1）流速：采用南京水利水電科學研究院研制的OA型旋漿式光纖流速傳感器、接專用采集系統測量。

（2）前池水位：使用水尺進行測量。

（3）表面流態觀察：采用示蹤觀察，并拍照記錄，同時結合其他觀測結果一同分析。

2.4 試驗組次

按照試驗要求選取了一種典型的情況進行試驗數據的采集，根據循泵臺數及特點將試驗單泵流量控制為5.87 m3/s，此時前池水深控制為60 cm左右，循泵5臺全部開啟。

3 數據分析

3.1 前池流速分布

進水前池各測速斷面位置和編號見圖1和圖2。本試驗采用南京水利水電科學研究院研制的OA型旋漿式光纖流速傳感器、接專用采集系統測量前池各測點流速。試驗測得大量數據，并對數據進行了處理分析。圖3～圖6分別給出了5臺水泵運行時，各斷面水流橫向流速分布和垂向流速分布情況。

圖3 進水前池E-01斷面流速分布

圖4 進水前池E-02斷面流速分布

圖5 進水前池E-03斷面流速分布

圖6 循泵5臺運行時進水前池各斷面整體流速分布

3.2 分析現象產生原因及影響

（1）進水口處水流在前池形成淹沒射流，水流沖擊力使流速大致呈正態分布，淹沒射流是流入相同介質中的液體射流。淹沒射流與周圍靜止介質發生動量和質量交換，卷吸附近介質隨射流一同流動，流量不斷增加，流速不斷減小和均化，橫斷面不斷擴大。淹沒射流可分為兩個部分。保持射流出口流速V0不變的部分,稱為射流核心。因卷吸與摻混作用流速小于V0的部分，即射流核心與靜止液體之間的部分，稱為射流邊界層。沿射流方向從出口斷面至射流核心開始消失的所謂過渡斷面，稱為射流初始段；過渡斷面以后的部分，稱為射流主體段。出現這種流態對于泵站前池來說是一種不良流態，如果進口處流速過大會產生水流沖擊，而沖擊波是一種不連續鋒在介質中的傳播，這個鋒導致介質的壓強、溫度、密度等物理性質的跳躍式改變，顯然這種現象會導致5條流道前的閘門受水流壓力不均，前池進水口結構承載壓力過大、整個前池水體壓力分布不均等不利影響。

（2）流速分布不均前池邊壁處產生輕微回流，回流[4]產生原因是水流脫離邊界和摩擦力等引起的主流旁側的旋轉水流運動，其兩側產生回流區的主要原因是進水不對稱造成的。但由于回漩流的產生，可能會導致的不良影響有：產生死水區形成泥沙淤積，主流產生偏流進而又惡化整個前池流場，前池水能能量分布不均，造成一定的水力損失，使泵站5臺泵不能均勻地入流，不利于水泵高效安全的運行。由于邊壁處回流流速較大，可能導致摻氣不利于前池結構的長久穩定使用。

（3）流速垂向分布特點[5]則是由于在引渠與進水池相接處，主流位于底部，故底部流速較大，而上層水流緩慢，有效地降低了下層流速，主流和周邊流速也沿程進行能量交換和綜合使得水流經過一段時間的運行到達斷面E-03時，水流流速分布已較在斷面E-01和E-02處均勻，但最大流速仍然出現在前池中軸線上，兩側流速最小，流速分布還是不平穩，前池結構有待進行優化。且由垂向流速分布圖還可看出表層流速逐漸增大，底層流速有遞減趨勢，這也是前池流場能量分布不均造成的。

（4）5條流道閘門前的進水流態好壞直接關系到流道內的水流流態，若流速分布不均（見圖5），則不同的能量產生的能量差影響建筑物整體結構的穩定性，如果長期處在這種不穩定情況下對流道內的其他建筑結構也可能造成破壞性影響[6]。

3.3 結構優化建議

根據原設計方案試驗結果，結合經濟成本的要求，以對泵站建筑物結構不作較大調整的原則，對取水泵站進水建筑物的流態改善措施進行了深入研究，前池進水口結構為正方形，且經物理模型試驗研究發現這種結構不利于水流在前池寬度上的均勻擴散，為均勻水流擴散，建議將箱涵進水口改為喇叭口擴散結構或八字漸變型結構[7]～[8]已達到分散水流的作用，保證前池流態均勻穩定。

4 結論

（1）物理模型試驗是分析水工建筑物內部流速分布情況的一種較直觀方便的方法。

（2）進水口與前池成T型結構布置的建筑物，前池流速分布特點為：從箱涵出口進入進水前池的水流，其流速分布具有典型的淹沒射流性質，在橫向上約為正態分布，并隨著流程的增加而逐漸坦化。射流卷吸周圍流體，使兩側存在不同程度的回流。當5臺泵同時運行時，引水流量大，前池水位低，在中間斷面靠近邊墻的兩側存在較大的反向流速。垂向上流速分布體現下部高，上部低的性質，同時隨著流程的增加，也有均勻化的趨勢。當水流到達E-03斷面時（距離流道進口2.5 m處），其流速分布已較在E-01和E-02斷面處均勻。

（3）前池淹沒射流的特點為沿程斷面流速不斷減小和均化，橫斷面不斷擴大。回流產生的原因是進水流速不對稱，使前池流場分布不均勻，水流脫離邊界和摩擦力等引起的主流旁側的旋轉水流運動。這種不良流態會導致前池產生回流區或是靜水區，極易形成泥沙淤積。

（4）進水前池與引水明渠呈直“T”形結構布置的前池建筑物，可將箱涵進水口改為喇叭口擴散結構或內部加設八字漸變型結構的導流墻。

[1]徐輝，段志強，于永海等.泵站有壓前池流態改善措施的研究[J].排灌機械，2003，21（4）:13-16.

[2]泵站設計規范，2010.

[3]水電站引水渠道及前池設計規范[SL T205-97].

[4]邱靜，杜涓，黃本勝等.臺山發電廠一期工程循環水泵進水流道水力性能試驗研究[J].廣東水利水電，2002，（2）:14-17.

[5]張振偉,鄒志利.沿岸流流速垂向分布的實驗研究[J].海洋通報，2009，28（2）:1-9.

[6]練偉航，馬治安，張廣傳等.電廠機組泵房側向進水前池流態水力試驗研究[J].中國農村水利水電，2007，（6）:115-117，119（4）.

[7]史海冰.長江引水三期取水泵站前池流態問題的解決方案[J].城市公用事業，2008，22（4）:37-39.

[8]馮建剛，王曉升，佟宏偉等.大型城市供水泵站前池流態改善措施研究[J].給水排水，2010，36（11）:51-54.