淺析泵站喇叭管進水流道內部旋渦

葉鵬 李虎

一、引言

隨著我國經濟的不斷發展，我國水泵站的發展規模已位居世界第一，大量的水泵廣泛應用于農業、工業和城鎮建設等領域，為推動現代化建設發揮了巨大的作用。水泵站的核心是泵裝置，而進水流道是整個泵裝置的重要組成部分。進水流道是泵站前池和水泵的葉輪室之間的過渡段，其主要作用是調整水流，為水泵葉輪室提供良好的進水流態。旋渦是進水流道中一種常見的物理現象，有相關學者將旋渦比作流體運動的肌腱，從中可以看出旋渦對流體運動的重要性。工程應用中大部分進水流道都是帶著旋渦工作的，雖然有些旋渦是非穩定存在且難以捕捉，但是隨著時間的推移，旋渦不僅會惡化水泵葉輪進口水力條件及水泵裝置工作狀態，降低泵裝置的效率，而且還會誘發汽蝕，削弱水泵的穩定性及安全性。因此，有必要深入研究進水流道中的旋渦運動的相關機理，鑒別不同類型的旋渦，并找到相應的工程措施來控制甚至消除旋渦的危害。

二、旋渦的分類

喇叭管進水流道內部流態非常復雜，存在多種旋渦，按照旋渦發生的位置，可以把旋渦分為水面渦，附壁渦，附底渦三種類型。

（一）水面渦：水面旋渦常常發生在進水建筑物進水口的表面，根據吸氣情況，可以分為Ⅰ型渦、Ⅱ型渦、Ⅲ型渦、Ⅳ型渦四種，其中Ⅰ型渦旋轉速度最小，不吸氣，危害最小;Ⅳ型渦旋轉速度最大，連續吸氣，危害最大

（二）附壁渦：附壁渦一般可以分為側壁旋渦和后壁旋渦兩種。

1.側壁旋渦：側壁旋渦產生于喇叭管進水流道的側壁，水流流至流道后壁處時，由于固體邊壁的限制，阻礙水流繼續前進，產生回流，而這部分回流會與主流摻混，誘發旋渦，嚴重時將產生渦帶。進水流道寬度過小，會增大水流從喇叭管兩側進入時受到的阻力，從而容易產生側壁旋渦。

2.后壁旋渦：后壁旋渦產生于喇叭管進水流道的后壁，水流在流至喇叭管進水流道后壁處時，受喇叭管進水流道形狀的限制，固體邊壁發生突變，而水流存在慣性不能隨邊壁發生突變，由此在后壁處形成后壁旋渦。

3.附底渦：附底旋渦產生于喇叭管進水流道喇叭管的正下方的邊壁處，在水流的強迫作用下，呈扭曲狀發展延伸至喇叭管內部，最終消散于葉輪進口。

三、旋渦的防治

為了減少喇叭管進水流道內部旋渦的危害，專家學者們設立了許多消渦措施，可以大致歸納為通過設計相關參數，消除旋渦增大的來源、直接破壞旋渦的結構以及設立防渦結構等，針對不同類型的旋渦有不同的消渦措施，具體措施如下：

（一）水面渦

1.我們可以通過調整水泵站，水電站相關的設計參數，控制運行條件來消除水面渦，比如增大進水口淹沒深度，減少進水角度，限制進水水流的流速，合理布置設計喇叭口，選擇適宜的導墻和胸墻的形式等。

2.可以通過安裝專門的防渦結構的方式來阻止旋渦的產生，如可以在發生水面渦的位置設置防渦梁，放置浮板、浮球等漂浮物，它們可以看做為剛體，可以破壞旋渦附近水流的速度環量，并增大水流的水面張力，減少產生水面渦的條件。

3.可以通過修建專門的消渦設施的方式來消渦，如修建水平隔板、翼墻和隔墻等設施來改善進水口水流的進水條件。

4.讓水泵站在高水位工況下運行，保證進水口有一定的淹沒深度并盡量減少進水水流的流速，削弱水面渦的強度。

（二）側壁旋渦。喇叭管進水流道寬度對喇叭管進水流道側壁旋渦具有決定性的影響。進水流道寬度過小，會增大水流從喇叭管兩側進入時受到的阻力。我們可以通過增大喇叭管進水流道的寬度來削弱側壁旋渦的強度。根據相關數值模擬和實驗，喇叭管進水流道寬度小于2.8倍的葉輪直徑時，將會產生較強的側壁渦帶，故喇叭管進水流道寬度不宜過小。

（三）后壁旋渦。后壁旋渦的強度與喇叭管進水流道的后壁距及后壁形狀有著密切的關系。相關數值模擬和實驗表明：喇叭管進水流道后壁距越小，固體邊壁發生突變的程度越厲害，側壁旋渦的強度就越高，故我們可以通過增大喇叭管進水流道的后壁距，并將后壁形狀設計成適合水流流動的“ω”型，這樣可以使喇叭管進口四周的水流流速更加均勻，減少水流的速度梯度，削弱后壁旋渦的強度。

（四）附底旋渦。附底旋渦的強度與喇叭管進水流道的懸空高有著密切的關系。相關數值模擬和實驗表明：喇叭管進水流道懸空高越小，附底旋渦的強度就越高，因此我們可以通過控制喇叭管進水流道的懸空高來削弱附底旋渦。還可以在進水流道喇叭管正下方設置防渦導水錐和隔渦板來消除附底旋渦。

四、結語

本文簡要地從喇叭管進水流道的旋渦的分類，消除旋渦的措施兩個方面研究了喇叭管進水流道旋渦，對喇叭管進水流道的水力設計和工程實際應用有一定的參考價值。今后可繼續對進水流道的旋渦進行更加深入的研究，將各類旋渦數值模擬和模型試驗的結果結合起來進行對比分析，探究旋渦形成及流動機理，探索控制消除旋渦的措施來減少旋渦的危害，為泵裝置性能優化提供依據。（作者單位：南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司）