水庫泄洪排澇泵水力性能數值模擬試驗研究

馮站青

(蓋州市師門水庫管理處，遼寧 蓋州 115220)

旋轉導葉參數對與水庫泄洪排澇泵水力性能影響較大，為使得水庫泄洪排澇泵水力性能達到最優，需要對旋轉導葉參數進行合理設置。當前，國內學者對于不同旋轉導葉參數對不同類型水泵性能影響進行了一定程度的研究[1- 7]，但對水庫泄洪排澇泵水力性能影響參數的研究成果較少，而對于中小型水庫而言，水庫泄洪排澇泵水力性能直接影響到汛期水庫的防汛功能，為此本文結合水流流場數學模型[8- 9]，以遼寧南部某水庫泄洪排澇泵為研究實例，對水庫不同旋轉導葉參數的庫泄洪排澇泵水力性能進行數值模擬分析。研究成果對于水庫泄洪排澇泵水力性能優化具有重要的參考價值。

1 數值計算模型建立

為了真實反映水庫泄洪排澇泵的水力性能，結合轉速為n=295，旋轉導葉數量為2的水庫泄洪排澇泵進行數值模擬，以設計導葉參數為基礎，設置泄洪排澇泵為定值的前提下，分別設置不同旋轉導葉參數進行水力性能的數值模擬，對水庫泄洪排澇泵的進行非結構網格化如圖1所示，并設置標準k-ε為其邊界條件進行數值模擬。

圖1 水庫泄洪排澇泵網格圖

2 模型驗證

為對構建的數值模型進行驗證，進行了導葉數目為2，旋轉角為15°，轉速設置為295，進行流量—揚程以及流量—效率的驗證，驗證結果見表1及如圖1所示。

表1 模型水力性能驗證結果

圖2 Q～h及Q～η試驗與數值模擬結果對比

從模型同一組旋轉導葉參數下，模型水力性能試驗值和計算值之間的吻合效率較高，吻合效率值達到85%以上，從流量—揚程以及流量—效率曲線可以看出，試驗值和計算值的擬合度均較高，構建的水庫泄洪排澇泵水力性能數值模擬模型可通過檢驗。

3 不同導葉參數下水庫澇泵水力性能數值分析

結合不用導葉參數對水庫泄洪排澇泵水力性能進行了數值試驗，試驗結果如圖3所示。

旋轉導葉數目對水庫泄洪排澇泵水力性能影響較大，合理設置旋轉導葉數據對于水力性能達到最佳影響較大，從圖3種不同旋轉導葉數目對水庫泄洪排澇流量—揚程曲線的試驗結果可以看出，水庫泄洪排澇量較小時，應增加適量旋轉導葉數量，而在流量較大時，應逐步減少導葉數量。而從葉徑比的試驗結果可以看出，當r達到0.63～0.68之間，其流量—揚程曲線達到穩定狀態，水庫泄洪排澇泵水力性能影響可達到最佳。旋轉角主要對水力性能影響流速方向影響較大，從試驗結果可以看出當旋轉角在15°～22°，其水力性能可達到最優。葉面截口面積比是水庫泄洪排澇泵水力性能設計的重要參數，結合不同葉面截口面積比的試驗結果可看出當葉面截口面積比在2.9～3.1時，水庫泄洪排澇泵射流能力可達到最優情況。

圖3 不同旋轉導葉參數下的流量—揚程曲線試驗結果

4 不同導葉參數組合下水庫澇泵水力性能數值模擬結果

4.1 水流流向數值模擬結果

結合不同導葉參數組合，基于構建的水力性能數值模擬模型，對不同導葉參數組合下的水庫泄洪排澇泵的流向進行數值分析，分析結果如圖4所示。

不同旋轉導葉組合參數對水庫泄洪排澇泵水流流向數值模擬結果可以看出，第1組導葉參數下，水流流向呈現流線型變化，而在第2組導葉參數下，水流流向出現局部渦流情況，這種情況對于水庫泄洪排澇泵水力性能影響較大。因此為使得水流流向呈現線形變化，則應選取第1組旋轉導葉參數。

4.2 水流射流能力數值模擬結果

結合不同導葉參數組合，基于構建的水力性能數值模擬模型，對不同導葉參數組合下的水庫泄洪排澇泵的射流能力(揚程、流速)進行數值分析，分析結果見圖4。

圖4 不同導葉參數組合下水流流向數值模擬結果

圖5 不同導葉參數組合下射流能力數值模擬結果

從圖5中種可看出，在第1組旋轉導葉參數下水庫泄洪排澇泵水流揚程分布較為平穩，其流速為出現較大的逆重流的變化，第1組旋轉導葉參數下，其揚程分布向四周平穩分布，揚程分布值在1.5～5.5m之間變幅而對于流速變化而言，中部區域流速分布均勻，逆重流現象較為不明顯。而在第2組旋轉導葉參數下，水庫泄洪排澇泵水流揚程分布也較為均勻，揚程分布值在2.0～6.5m之間變幅，揚程變幅要大于第1組旋轉導葉參數下的揚程變幅，這對于水庫泄洪排澇泵水力性能損失影響較大，且在第2組旋轉導葉參數組合下流速分布均勻性弱于第1組參數組合，在中部區域局部的逆重流現象較為嚴重。綜合上述成果的分析，第1組旋轉導葉參數組合可使得水庫泄洪排澇泵水力性能達到最佳狀態。

5 結語

本文主要探討不同旋轉導葉參數對水庫泄洪排澇泵水力性能的影響，試驗取得以下主要結論:

(1)本文試驗所分析旋轉導葉單一參數范圍，對于水庫泄洪排澇泵水力性能優化設計具有較為重要的參考價值。

(2)旋轉導葉參數組合(N=2，R=0.63，ω=15°，A/S=2.9)下，水庫泄洪排澇泵水力性能可達到最佳狀態，水力損失最小。

(3)本文只重點探討了旋轉導葉參數對水庫泄洪排澇泵水力性能的影響，而在以后的研究中還應結合水庫泄洪排澇泵的類型進行探討研究。