泵站水泵吸水室內水動力學特性分析

【摘要】在取水泵站內部，產生的漩渦以及泥沙沉積是目前影響泵站整體效益發揮的兩大重要問題。因此，筆者在本文中決定引入巴基斯坦拉合爾地區南迪普電站的取水泵站的運行實例，并將物理模型試驗以及CFD（Computational Fluid Dynamic，中文全稱為計算流體動力學，CFD是它在英文方面的縮寫）分析方式相結合的方法來研究戲水是在設置M型防漩渦裝置之后，水泵的吸水管內部以及進水通道內部的水動力學特性。該研究無疑為大型的取水泵站如何進行設計提供了較為重要的參考性意見。

【關鍵詞】水動力學；CFD；取水泵站；設計；渦核區；M型防漩渦裝置

對于取水泵站來說，一旦發生體型設計不合理的現象，就會產生附底漩渦或者是產生附壁漩渦，從而使振動與噪聲等不正常現象頻繁出現，情況嚴重者甚至會對葉輪軸承的總體負荷以及機構造成極大的破壞；其次，如果淹沒的深度較低，則會導致自由漩渦被誘發出來，從而使得整個取水泵站在空化方面的風險大大增加，最終導致取水泵站的工作效率被降低。

在我國現行的《泵站設計規范》以及美國艾奧瓦州水力學研究所關于取水泵站試驗的規定中，自由漩渦和淹沒漩渦在強度方面都必須小于自由漩渦第三類與淹沒漩渦第二類；而渦流角必須小于5°；并保證在整個吸水管內部沒有明顯的、持續性的波動或者湍流的存在。

目前，在進行取水泵站的建設之前一般都會通過物理模型試驗加上CFD分析的方式來對渦體進行詳細而標準的預測。而在針對渦體的抑制方面，導流錐和防渦消渦柵都已經被很好地運用于實際的泵站建筑工程之中，效果非常理想，而對于導流錐的椎體形式也有較為充分的研究。

1.研究對象的總體情況

1.1取水泵站的總體概況

南迪普電站的地址在巴基斯坦的拉合爾地區的U.C.C運河的左岸，在這條運河的岸邊的取水泵房內部設置了3臺冷卻水泵，并同時設計有旋轉濾網、粗細格柵、沖洗水泵以及泥沙提升泵。取水泵站在流量方面的數值為6.23m3/s，吸水喇叭口的直徑設計為2m，懸空高度為0.8m，后壁距以及側墻距則分別為1.65m和3m。

1.2取水泵站在物理模型中的試驗與設計

在選擇模型比尺時，要將粘性以及表面張力的影響都考慮進去，但同時又要對吸水管內部的水流流動狀態進行真實的反應。特別是針對漩渦現象，如果以行進流速或者淹沒流速來計算雷諾數，那么在雷諾數大于3*10^4時，可以忽視縮尺效應。但是如果根據吸水管直徑以及其內部流速來計算韋伯數，那么在韋伯數大于120時，表面張力便不會對臨界水深造成影響。在該實驗設計中，雷諾數為112947，韋伯數為813，因而并不會考慮縮尺效應以及表面張力所帶來的影響。

但是，由于取水泵站內部的水流仍然受重力以及慣性的影響，因而該實驗模型依照佛汝德相似律來進行設計。而對于泥沙運動則依然相似，主要考慮的是泥沙的懸移相似、挾沙相似以及河床變形的相似。

本次的模型試驗循環系統由試驗泵房、運河、前池、引水流道、水泵以及地下蓄水池所構成，而典型斷面的流速則采用了CSY直取式微旋漿流速測試儀來進行測量，而流態則通過示蹤劑以及攝像機進行觀測，含沙量和泥沙級配則主要通過比重瓶與移液管進行測量。

2.測試結果與相應預測——以對吸水管內部的流速分布規律的預測為例

很明顯，吸水管內部的流速分布情況是直接關系到整個水泵是否能夠進行正常運行的。但由于試驗條件存在局限性，因此采用了CFD的方式來對吸水管內部的水動力學特性進行預測。可以發現，在垂直水流的方向上，有無防漩渦裝置對于速度u的影響較大（見下圖1）。

在無防漩渦裝置時，流速值呈現出M的分布形態，且在不同的高度均有負值出現，說明吸水室的后壁對其影響較大，吸水管內部則存在渦漩流。在增加了防漩渦裝置之后，吸水管內部的流速才逐漸趨于穩定。

此外，在順水流的方向上（見下圖2），流速u分量在沒有防漩渦裝置時，流速最大值為2.42m/s并伴隨著較多的負值出現，這說明有部分水流是經過了吸水室后壁的碰撞之后才進入吸水管內部的，在這一過程中誕生了內渦漩流。而增加了防漩渦裝置之后，水流流態便趨于平穩。

3.結語

通過分析之后可以看出，CFD模型有效地對吸水管內部渦核區的分布進行了再現，從而使相關的設計與技術人員們能夠認清楚未設置M型防漩渦裝置的缺陷，從而重視對M型防漩渦裝置的設置與安裝。最后，通過對試驗中的數據進行記錄和比較，使M型防漩渦裝置的優勢能夠更加明顯地顯示出來。

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