泵站進水流速對2種進水方式的表面漩渦特性影響的研究

高傳昌，高余鑫，汪順生，高志鍇

?灌溉技術與裝備?

泵站進水流速對2種進水方式的表面漩渦特性影響的研究

高傳昌，高余鑫*，汪順生，高志鍇

(華北水利水電大學，鄭州 450045)

【】探究不同進水流速對泵站進水水流流態(tài)、漩渦的產(chǎn)生與發(fā)展變化規(guī)律的影響。結合泵站實際運行情況，采用NX UG 10.0軟件構建泵站封閉式進水流道水平進水和開敞式進水池垂直進水2種進水方式的進水物理模型及三維湍流數(shù)學模型，采用雷諾N-S方程、VOF模型和非定常的SST湍流模型。對2種進水方式下不同進水流速的進水流場分布和漩渦的產(chǎn)生、變化及分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬。在滿足泵站進水口臨界淹沒水深時，2種進水方式下的進水表面漩渦強度隨著進水流速的增加逐漸增強，并對2種進水表面出現(xiàn)的漩渦類型與進水流速變化的區(qū)間進行了劃分；封閉式進水流道水平進水流速在0.217～0.304、0.349～0.448、0.482～0.554、0.575～0.661 m/s時，漩渦類型分別為Ⅰ和Ⅱ型渦、Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦；開敞式垂直進水流速在0.322～0.402、0.484、0.521～0.564 m/s時，漩渦類型分別為Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦，開敞式進水池垂直進水的水體中同時產(chǎn)生表面漩渦和水中漩渦；數(shù)值計算結果與試驗結果基本吻合。對封閉式進水流道水平進水方式的泵站工程，進水流速不應大于0.349 m/s；對開敞式進水池垂直進水方式的泵站工程，進水流速不應大于0.322 m/s。

泵站；進水流速；漩渦；數(shù)值計算；模型試驗

0 引言

【研究意義】我國是世界上泵站數(shù)量最多、規(guī)模最大、類型最豐富的國家。由于泵站結構、水泵型式和運行環(huán)境的復雜性，使得由前池、進水池、進水流道等組成的泵站進水系統(tǒng)常存在自由表面漩渦和次表面漩渦，對水泵運行穩(wěn)定性、效率和空化性能產(chǎn)生直接影響[1]。因此，研究泵站進水系統(tǒng)漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展機理，從而發(fā)現(xiàn)影響進水水流流動特性的因素，提出防止泵站進水池流態(tài)紊亂的有效措施，對保證泵站安全、高效和穩(wěn)定運行至關重要。

【研究進展】泵站進水漩渦一般分為表面漩渦和水中漩渦，其中表面漩渦對工程影響較大，是泵站設計和運行管理關注的重點，為此許多學者針對影響泵站進水水流流態(tài)與表面漩渦產(chǎn)生的因素進行了模型試驗和數(shù)值計算。資丹等[2]研究了進水池垂直布置下喇叭管懸空高、后壁距和淹沒深度對進水池水流流態(tài)和水泵水力性能的影響，并給出了最優(yōu)組合參數(shù)。丁光浩[3]認為泵裝位置及一定流量條件下，泵喇叭口的淹沒深度決定著表面漩渦的形態(tài)，為此進行了矩形進水池垂直布置的吸水喇叭管的懸空高、后壁距、池寬和流量對臨界淹沒深度的影響的試驗研究，給出了相應的臨界淹沒深度的經(jīng)驗公式。胡去劣[4]對封閉式進水的發(fā)電隧洞進水口的水流特性進行了試驗研究，提出用低福氏數(shù)進水口分區(qū)成渦的規(guī)律及無渦進水口的體型設計；當進口福氏數(shù)小于第一臨界值時，不論進口淹沒深度大或小均無漩渦發(fā)生；當進口福氏數(shù)小于第二臨界值時，不會發(fā)生偶發(fā)性串通漩渦；當進口福氏數(shù)大于第二臨界值時，隨著相對淹沒深度的增加，將會發(fā)生表面凹陷型漩渦、偶發(fā)性串通漩渦等情況。劉樹紅等[5-6]為了對開敞式水泵進水池流場的數(shù)值模擬結果和試驗結果進行對比，取計算和試驗的進水池水深為0.3 m，研究進水流速分別為0.4 m/s和0.55 m/s對進水池流場和產(chǎn)生吸氣漩渦的影響。王自明等[7]研究了進水口淹沒深度H/D及淹沒弗勞徳數(shù)與泵站進水口吸氣漩渦之間的關系，結果表明：臨界淹沒深度和淹沒弗勞徳數(shù)可判斷泵站進水口是否發(fā)生吸氣漩渦。文獻[8-13]運用數(shù)值模擬和模型試驗的方法研究了進水喇叭口的懸空高、后壁距、臨界淹沒水深、水中空氣量和后壁平面形狀對進水池內(nèi)部的漩渦結構及表面吸氣渦的動態(tài)過程和特性的影響，揭示了表面吸氣渦形成及抑制機理，得到了漩渦強度與淹沒深度的關系。為了探究自由表面漩渦產(chǎn)生和發(fā)展的機理，許多學者采用V3V技術和PIV技術與數(shù)值模擬相結合的方法，研究了自由表面漩渦的流場結構，得到了自由表面漩渦的產(chǎn)生和變化規(guī)律[14-19]。由此可見，以往研究主要集中在進水口淹沒深度對表面漩渦形成機理和漩渦流場結構發(fā)展過程的影響，以及與表面漩渦特性之間的關系。

【切入點】我國《泵站設計規(guī)范》[20]規(guī)定，對進水管道進水的以喇叭口中心的臨界淹沒深度和對流道進水的流道進口上緣應淹沒在進水池最低運行水位以下至少0.5 m的淹沒深度來防止泵站進水表面漩渦的產(chǎn)生。作者在試驗研究中發(fā)現(xiàn)，當泵站2種進水方式的淹沒深度滿足《泵站設計規(guī)范》要求時，進水水流流速對表面漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展具有較大的影響，但針對不同進水流速對泵站不同進水方式形成的進水漩渦的影響研究甚少。【擬解決的關鍵問題】為此，本文以黃河下游2座不同進水方式的泵站為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗研究相結合的方法，開展不同進水流速下封閉式進水流道水平進水和開敞式進水池垂直進水的進水水流流態(tài)和進水漩渦特性的研究，分析不同進水流速對進水流態(tài)和進水漩渦特性的影響，提出防止泵站進水池流態(tài)紊亂和有害漩渦產(chǎn)生的進水流速值，以期為泵站工程設計和更新改造提供參考。

1 泵站2種進水方式的進水模型

1.1 封閉式進水流道水平進水模型

封閉式進水流道水平進水模型取自于黃河下游邢家渡引黃閘前泵站，泵站包括進水前池、進水閘室、簸箕形進水流道、機組、出水池等。裝有設計流量為12.5 m3/s的軸流潛水泵4臺。進水前池設計水位23.0 m，最低運行水位22.4 m；進水閘室與簸箕形進水流道進口寬度均為4.5 m；簸箕形進水流道進口高度為2.8 m；進水前池、進水閘室和簸箕形進水流道底板高程均為18.17 m，進水前池最小水深為4.23 m，進水流道進口上緣淹沒在進水池最低運行水位以下1.43 m，滿足《泵站設計規(guī)范》要求。模型比尺為1∶7，由進水前池、進水閘室、簸箕形進水流道及其出口延長段4部分組成。泵站模型進水前池的長寬高分別為2 000、643、690 mm；進水閘室的長寬高分別為1 214.29、643、690 mm；簸箕形進水流道進口高度和寬度分別為400、643 mm；進水流道出口延長段為2倍出口直徑的長度520 mm，如圖1所示。

圖1 封閉式進水流道水平進水模型布置及特征截面示意

1.2 開敞式進水池垂直進水模型

開敞式進水池垂直進水模型取自于黃河下游田山一級泵站，泵站包括進水閘、前池、進水池、泵房出水池等，裝有設計流量為2.98 m3/s的軸流泵12臺。該泵站為開敞式矩形進水池，中間用隔墩分成左右對稱的單泵進水池，進水池池長為6.72 m，單泵進水池池寬為3.3 m，池底高程為30.4 m，進水池設計水位為34.3 m，最低運行水位為33.0 m；懸空高度為1.2 m，后墻距為1.26 m；進水管直徑為900 mm，進水喇叭口直徑為1 280 mm，如圖 2 所示。進水池最小水深為2.6 m，喇叭口中心最小淹沒深度為1.4 m，滿足《泵站設計規(guī)范》要求。模型比尺1：10，包括引渠、前池、進水池、進水池隔墩、喇叭管和進水管6部分。引渠長寬分別為250、250 mm；前池長1 020 mm，前池進、出口寬分別為250、750 mm，擴散角27.54°，底坡0.06；進水池池長672 mm，單泵進水池池寬330 mm；進水池隔墩長寬分別為672、90 mm；進水喇叭口直徑128 mm，高度51 mm。進水管直徑90 mm，長度500 mm；懸空高度為120 mm，后墻距為126 mm，如圖2所示。

圖2 開敞式進水池垂直進水模型布置及特征截面示意

2 數(shù)值計算模型及方案

2.1 數(shù)值計算模型

采用NX UG 10.0軟件分別建立封閉式進水流道水平進水和開敞式進水池垂直進水物理模型。封閉式進水流道水平進水物理模型包括：進水前池、進水閘室、進水流道及其出口延長段，如圖3（a）所示；開敞式進水池垂直進水的進水物理模型包括：引渠、前池、進水池、進水池隔墩、喇叭管和進水管，如圖3（b）所示。

圖3 計算模型

計算采用非定常的SST湍流模型和VOF模型；壓力速度耦合采用SIMPLE算法；離散方法為有限體積法；動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風格式。

封閉式進水流道水平進水物理模型進口和出口1采用速度邊界條件，出口2為壓力邊界條件（其大小為1個標準大氣壓），壁面設為無滑移壁面；采用Fluent Meshing進行網(wǎng)格剖分，選擇適應性較好的混合網(wǎng)格（邊界為多面體網(wǎng)格，內(nèi)部為六面體網(wǎng)格），經(jīng)網(wǎng)格數(shù)目的無關性分析后確定網(wǎng)格數(shù)量為676.0萬，其中：進水前池部分網(wǎng)格數(shù)量為457.6萬，進水閘室為60.1萬，進水流道為147.3萬，出水管為11.0萬，如圖4（a）所示。

開敞式進水池垂直進水的進水物理模型進口和出口采用速度邊界條件，出口1設置為壓力邊界條件，大小為1個標準大氣壓，壁面為無滑移壁面；采用Ansys 2020將模型網(wǎng)格剖分為適應性較好的混合網(wǎng)格即邊界為多面體網(wǎng)格，內(nèi)部為六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)目的無關性分析確定網(wǎng)格數(shù)量為390.7萬，其中：引渠部分網(wǎng)格數(shù)量為28.3萬，前池為163.8萬，左側(cè)進水池為90.3萬，右側(cè)進水池為89.5萬，左、右二側(cè)進水管均為9.4萬，如圖4（b）所示。

圖4 模型網(wǎng)格剖分

2.2 數(shù)值計算方案

2.2.1計算水深

封閉式進水流道水平進水模型進水前池最小水深604 mm，進水流道進口上緣淹沒在進水池最低運行水位以下淹沒深度204 mm；開敞式進水池垂直進水模型進水池最小水深260 mm，喇叭口中心最小淹沒深度140 mm，均滿足《泵站設計規(guī)范》要求。

2.2.2計算方案

不同進水流速分別對封閉式進水流道水平進水模型和開敞式進水池垂直進水模型的水力特性影響的數(shù)值模擬計算方案，如表1所示。

表1 數(shù)值模擬計算方案

2.3 分析截面選取

封閉式進水流道水平進水物理模型選擇1-1截面（自由水面）、2-2截面（進水流道進口上緣水平面）和3-3截面（距進水流道進口0.5的橫截面），對上述截面分別進行流態(tài)分析，特征截面示意見圖1；開敞式進水池垂直進水模型選擇右側(cè)進水池的1-1截面（自由水面）、2-2截面（喇叭管進口水平面）、3-3截面（喇叭管進口中心縱截面）、4-4截面（進水池右部中間縱截面）、5-5截面（進水池右部邊壁縱截面）和6-6截面（喇叭管進口后部邊緣橫截面）進行流態(tài)分析，特征截面示意見圖2。

3 結果與分析

3.1 封閉式流道進水計算結果

3.1.1特征截面流態(tài)

1）水平截面流態(tài)。不同流速下，自由水面（1-1截面）和進水流道進口上緣水平面（2-2截面）的流速和流線分布如圖5所示。由圖5可知，自由水面的不同流速值的分布區(qū)隨著進水流速的增大逐漸增多，呈現(xiàn)出前部流速大于后部流速的分布，后部壁面處最小，且內(nèi)部大于邊壁；流線分布前部平順，后部比較紊亂，其中在上下側(cè)邊壁和后壁處最為紊亂，并于上下側(cè)邊壁處形成漩渦，漩渦位置基本相同，數(shù)量2個或3個。進水流道進口上緣水平面的流速分布隨著進水流速的增大與自由水面的流速分布相反，前部小于后部，后部壁面處最大，呈比較規(guī)則的帶狀分布；流線分布比較平順，在后部后壁處彎曲發(fā)散。在進水流速為0.217 m/s時，自由水面的后部產(chǎn)生了漩渦，但進水流道進口上緣水平面無漩渦，漩渦沒有進入到流道進口就消失了；當進水流速為0.349 m/s時，自由水面和流道進口上緣水平面的上下側(cè)邊壁處均出現(xiàn)漩渦，說明漩渦已進入到流道進口，而隨著進水流速的增加，自由水面和流道進口上緣水平面產(chǎn)生的漩渦強度不斷增強。

2）橫向截面流態(tài)。不同流速下，距進水流道進口0.5的橫截面（3-3截面）的流速和流線分布如圖6所示。由圖6可以看出，距進水流道進口0.5H的橫截面的不同流速值的分布區(qū)隨著進水流速的增大逐漸增多，下部流速分布區(qū)的數(shù)值逐漸增大，且均為下部流速大于上部流速的分布規(guī)律；流線分布則表現(xiàn)為在水面附近的兩側(cè)邊壁處比較紊亂，并形成表面漩渦，水面以下的流線比較平順，不同進水流速下均無水中漩渦產(chǎn)生。

圖6 橫向截面流速和流線分布

3.1.2漩渦分布

10種流速下，進水閘室和進水流道形成的漩渦如圖7所示。根據(jù)圖7中不同進水流速對應的表面漩渦分布狀況，結合美國麻省Worcester綜合研究所Alden實驗室將表面漩渦分為6型[21]的標準，封閉式進水流道水平進水流速在0.217～0.304 m/s，進水閘室水面比較平穩(wěn)，水面以下的水體中有少量氣泡，且未進入進水流道，漩渦類型為Ⅰ、Ⅱ型；流速在0.349～0.448 m/s時，水面開始波動，水體中氣泡增多，并間歇性地進入流道，漩渦類型為Ⅲ、Ⅳ型；流速在0.482～0.554 m/s時，水面波動明顯，水體中氣泡堆積形成氣柱且間歇性地進入流道，漩渦類型為Ⅴ型；流速在0.575～0.661 m/s時，水面波動劇烈，形成的氣柱連續(xù)地進入流道，漩渦類型為Ⅵ型。進水表面形成漩渦類型與進水流速的大小有關。

圖7 表面漩渦分布

3.2 開敞式進水池進水計算結果

3.2.1特征截面流態(tài)

1）水平截面流態(tài)

進水池自由水面（1-1截面）和喇叭管進口水平面（2-2截面）的流線和流速分布如圖8所示。由圖8可知，不同進水流速下，1-1截面的流速分布云圖呈現(xiàn)出內(nèi)部大于邊壁，流速最大區(qū)域位于進水管附近和進水池前部上側(cè)，2-2截面的流速分布為喇叭管進口附近最大且后墻與喇叭管進口之間流速變化梯度明顯。2個截面下的流線分布均表現(xiàn)為進水池前部平順、后部紊亂，漩渦均產(chǎn)生在喇叭管與后墻間的區(qū)域，1-1截面產(chǎn)生的表面漩渦數(shù)量為4～5個，2-2截面漩渦數(shù)量為3～4個，隨著進水流速的增加漩渦強度增加。

圖8 進水池水平剖面流速和流線分布

2）進水池縱截面流態(tài)

圖9為進水池喇叭管進口中心縱截面（3-3截面）、進水池右部中間縱截面（4-4截面）、進水池右部邊壁縱截面（5-5截面）的流線和流速分布。從圖9可以看出，3-3截面的高流速區(qū)域主要位于喇叭管進口附近，且隨著進水流速的增加高流速區(qū)域增大，而流線從前部和后部向喇叭管進口集中；4-4截面在喇叭管進口高度附近及前部形成高流速區(qū)域，流線起始于前部聚集于進水喇叭管口高度附近，在底壁和后墻夾角處形成1個水中漩渦；5-5截面的高流速區(qū)域主要位于喇叭管進口高度附近的后墻和喇叭管之間區(qū)域，受到邊壁效應的影響，流線分布比較紊亂，在底壁、右側(cè)邊壁和后壁的夾角處形成附壁渦，數(shù)量為1個。4-4截面和5-5截面的產(chǎn)生漩渦的位置不變，而隨著進水流速增大水中漩渦的強度在增強。

圖9 進水池縱剖面流速和流線分布

3）進水池橫剖面流態(tài)分析

圖10為進水池喇叭管進口后部邊緣橫截面（6-6截面）的流線和流速分布。由圖10可知，該截面的高流速區(qū)域位于喇叭管進口高度附近，且隨著進水流速的增加高流速區(qū)域增大，壁面處的流速最低，流線分布紊亂；在喇叭管口下方、側(cè)底壁夾角處及底壁產(chǎn)生漩渦，為附底渦和附壁渦，數(shù)量為2～3個，漩渦的位置變化不大，并隨著進水流速增大水中漩渦的強度有所增強。

圖10 進水池橫剖面流速和流線分布

3.2.2漩渦分布

9種流速下，進水池和進水管形成的漩渦如圖11所示。根據(jù)圖11中不同進水流速對應的表面漩渦分布狀況，結合文獻[21]中給出的6型表面漩渦標準，開敞式進水池垂直進水流速在0.322～0.402 m/s時，水面產(chǎn)生波動，形成的氣泡浸入水體較深且間歇性地進入喇叭管口，漩渦類型為Ⅲ、Ⅳ型；流速在0.484 m/s時，水面波動明顯，形成的氣柱浸入水體的深度達到喇叭管口附近，氣柱間歇性地進入喇叭管口，漩渦類型為Ⅴ型；流速在0.521～0.564 m/s時，水面波動劇烈，形成的氣體連續(xù)地進入喇叭管口，漩渦類型為Ⅵ型；可見，進水池形成的表面漩渦強度隨著進水流速增加逐漸增強。

圖11 表面漩渦分布

4 試驗驗證

封閉式進水流道水平進水和開敞式進水池垂直進水的水力特性驗證試驗均在華北水利水電大學泵及泵站實驗室進行。2種進水方式的進水模型實驗裝置，如圖12所示。模型試驗測試設備與測試方法等見文獻[22-24]。

圖12 模型試驗系統(tǒng)

4.1 試驗驗證結果

4.1.1封閉式進水流道水平進水模型試驗結果

根據(jù)10種不同進水流速對封閉式進水流道水平進水水力特性影響的試驗數(shù)據(jù)分析結果[24]可知，進水流速在0.217 m/s和0.250 m/s時，進水閘室表面出現(xiàn)了間歇性出現(xiàn)和消亡的Ⅰ型渦；流速為0.304 m/s時，進水表面凹陷，且凹陷間歇性出現(xiàn)和消亡，漩渦類型為Ⅱ型渦；流速為0.349 m/s時，進水表面凹陷，凹陷較深且有規(guī)律地出現(xiàn)和消亡，漩渦強度不大，此時間歇性出現(xiàn)Ⅱ型和Ⅲ型，并以Ⅲ型居多；流速為0.389 m/s和0.448 m/s時，進水表面的凹陷或消亡或變深并間歇性地進入進水流道，此時出現(xiàn)的漩渦為Ⅲ、Ⅳ型；流速為0.482 m/s和0.554 m/s時，進水表面出現(xiàn)的凹陷漩渦末端接近進水流道進口且末端產(chǎn)生的氣泡頻繁地進入進水流道，此時出現(xiàn)的漩渦有Ⅳ型和Ⅴ型，并以Ⅴ型為主；流速為0.575 m/s和0.661 m/s時，進水表面出現(xiàn)的凹陷漩渦末端進入進水流道且漩渦末端產(chǎn)生的氣泡或挾氣渦帶最遠可延伸到喇叭管進口處，此時出現(xiàn)的漩渦有Ⅴ型和Ⅵ型，并以Ⅵ型為主。

4.1.2開敞式進水池垂直進水模型試驗結果

根據(jù)9種不同進水流速對開敞式進水池垂直進水水力特性影響的試驗數(shù)據(jù)分析結果[22-24]可知，進水池不僅產(chǎn)生了表面漩渦，還產(chǎn)生了水中渦（附底渦和附壁渦）。流速為0.322 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)強度時大時小的Ⅲ、Ⅳ型渦現(xiàn)象；流速為0.344 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)2個對稱的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.347 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，長時間出現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ型渦現(xiàn)象；流速為0.361 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)1個顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；進水流速為0.376 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)1個更顯著的Ⅳ型渦現(xiàn)象，偶爾出現(xiàn)Ⅴ型渦；流速為0.402 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)1個更顯著的Ⅳ型渦或Ⅴ型渦；流速為0.484 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ型渦和Ⅵ型渦；流速為0.521 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，出現(xiàn)2個Ⅵ型渦；流速為0.564 m/s時，在進水喇叭管和后墻之間，長時間出現(xiàn)Ⅵ類渦。

4.2 試驗結果與模擬結果的對比

圖13和圖14分別為2種泵站進水方式下能產(chǎn)生Ⅲ型或Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型漩渦。分別將圖7（d）、圖7（g）及圖7（i）的封閉式進水流道水平進水漩渦流態(tài)的數(shù)值模擬結果與圖13（a）—圖13（c）進水模型試驗結果和圖11（a）、圖11（g）及圖11（h）的開敞式進水池垂直進水漩渦流態(tài)的數(shù)值模擬結果與圖14（a）—圖14（c）進水模型試驗結果對比可知，在相同進水流速下，2種泵站進水產(chǎn)生的表面漩渦類型基本相同。

由不同進水流速下的試驗結果與數(shù)值模擬結果對比可知，2種泵站進水產(chǎn)生的表面漩渦強度和類型隨進水流速的變化基本一致。對泵站工程來說，允許Ⅰ、Ⅱ型漩渦存在，避免產(chǎn)生Ⅲ、Ⅳ型漩渦，不允許存在Ⅴ型及以上漩渦，因此要保證泵站進水水流流態(tài)良好，封閉式進水流道水平進水方式的進水流速值不應大于0.349 m/s；開敞式進水池垂直進水方式的進水流速值不應大于0.322 m/s。

圖13 封閉式進水流道水平進水模型試驗進水漩渦流態(tài)

圖14開敞式進水池垂直進水模型試驗進水漩渦流態(tài)

5 討論

研究表明，在泵站進水水深不變時，泵站表面漩渦的強度隨進水流速的增大而增強，并分別就2種泵站進水表面出現(xiàn)的漩渦與進水速度區(qū)之間的關系進行了劃分，這與文獻[4-6,25]的研究結果類似。文獻[4]對封閉式進水的發(fā)電隧洞進水口的漩渦特性進行了試驗研究，提出用福氏數(shù)對進水口漩渦分區(qū)，計算式=進/()1/2，（式中：進為發(fā)電隧洞進水流速，為發(fā)電隧洞洞徑，僅隨進而變化）。文中給出的第一臨界和第二臨界福氏數(shù)值，可認為是第一流速值和第二流速值。當進口流速小于第一流速值時，不論進口淹沒深度大或小均無漩渦發(fā)生；當進口流速小于第二流速值時，不會發(fā)生偶發(fā)性串通漩渦；當進口流速大于第二流速值時，隨著相對淹沒深度的增加，將會發(fā)生表面凹陷型漩渦、偶發(fā)性串通漩渦等情況。文獻[5-6]對水深為0.3 m的進水池流速分別為0.4 m/s和0.55 m/s水流流態(tài)和漩渦特性進行了研究，當進水池流速為0.4 m/s時，池中發(fā)生了表面下凹的漩渦；當進水池流速為0.55 m/s時，池中發(fā)生了最為劇烈的表面吸入漩渦。文獻[25]規(guī)定，吸水喇叭口前吸水池斷面的平均流速不應大于0.3 m/s。可見，上述專家僅針對進水池某一流速產(chǎn)生的漩渦特性進行了研究，沒有對不同流速下的進水池水流流態(tài)和漩渦特性進行研究。

本文就不同進水流速對泵站2種進水方式的進水水流特性的影響進行了數(shù)值模擬，分析了泵站進水水流流態(tài)和漩渦分布，揭示了泵站表面漩渦強度隨進水流速的增大而增強的變化規(guī)律，分別就2種泵站進水表面出現(xiàn)微凹的Ⅰ、Ⅱ型漩渦、表面下凹的Ⅲ、Ⅳ型漩渦、表面下凹較深的間斷進氣Ⅴ型漩渦和漩渦中心為貫通的連續(xù)進氣的Ⅵ型渦進行了進水速度區(qū)間的劃分，并模型試驗結果進行對比，二者基本吻合。在實際工程中，影響泵站進水表面漩渦產(chǎn)生的因素很多，如進水結構型式、懸空高、后壁距、池寬、進水管的位置和進水喇叭管的形狀等，進水流速僅是其中一個因素，本文僅進水流速對表面漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展的影響進行了研究。今后需要對表面漩渦的產(chǎn)生和發(fā)展的影響因素進行全面系統(tǒng)的研究，為泵站工程設計提供科學依據(jù)。

6 結論

1）封閉式進水流道水平進水方式的進水流速在0.217～0.304、0.349～0.448、0.485～0.554、0.575～0.661 m/s時，進水表面漩渦類型分別為Ⅰ和Ⅱ型渦、Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦。

2）開敞式進水池垂直進水方式的進水流速在0.322～0.402、0.484、0.521～0.564 m/s時，漩渦類型分別為Ⅲ和Ⅳ型渦、Ⅴ型渦、Ⅵ型渦。

3）對封閉式進水流道水平進水方式的泵站工程，進水流速不應大于0.349 m/s；對開敞式進水池垂直進水方式的泵站工程，進水流速不應大于0.322 m/s。

4）進水漩渦不僅在表面水體中產(chǎn)生和發(fā)展，而且在進水管后部和進水喇叭口下部的水體中產(chǎn)生和發(fā)展水中渦（附壁渦和附底渦）。

[1] 王福軍, 唐學林, 陳鑫, 等. 泵站內(nèi)部流動分析方法研究進展[J]. 水利學報, 2018, 49(1): 47-61, 71.

WANG Fujun, TANG Xuelin, CHEN Xin, et al. A review on flow analysis method for pumping stations[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(1): 47-61, 71.

[2] 資丹, 王福軍, 姚志峰, 等. 基于響應曲面模型的泵站進水池參數(shù)優(yōu)化方法研究[J]. 水利學報, 2017, 48(5): 594-607.

ZI Dan, WANG Fujun, YAO Zhifeng, et al. Research on optimization method of pump sump parameters based on response surface model[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(5): 594-607.

[3] 丁光浩. 泵站矩形進水池臨界淹沒深度試驗研究[J]. 灌溉排水, 1998, 17(4): 21-24.

DING Guanghao. Experimental research on critical submergence depth of rectangular entry port in a pumping station[J]. Irrigation and Drainage, 1998, 17(4): 21-24.

[4] 胡去劣. 進水口漩渦的試驗研究[J]. 水利水運科學研究, 1982(3): 22-35.

HU Qulie. Experimental study of vortex formation at the intake of conduits[J]. Water Resources and Shipping Science Research, 1982(3): 22-35.

[5] 劉樹紅, 樊毅, 吳玉林, 等. 水泵吸水池內(nèi)部流場數(shù)值模擬和試驗研究[J]. 水力發(fā)電學報, 2007, 26(2): 119-123, 118.

LIU Shuhong, FAN Yi, WU Yulin, et al. Numerical simulation and experimental research on flow in an open pump sump[J]. Jouranl of Hydroelectric Engineering, 2007, 26(2): 119-123, 118.

[6] 劉樹紅, 耿福明, 吳玉林, 等. 大型泵站水泵吸水池中流動穩(wěn)定性研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2008, 6(1): 138-142.

LIU Shuhong, GENG Fuming, WU Yulin, et al. Flow stability research in the pump sump of large-scale pump station[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2008, 6(1): 138-142.

[7] 王自明, 王月華, 韓曉維, 等. 泵站進水池自由表面漩渦研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2018(7): 158-160, 164.

WANG Ziming, WANG Yuehua, HAN Xiaowei, et al. Research on the free surface vortex in suction sump of pumping station[J]. China Rural Water and Hydropower, 2018(7): 158-160, 164.

[8] 郭苗. 進水池內(nèi)渦旋流動的LBM-VOF數(shù)值模擬與實驗研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學, 2018.

GUO Miao. Numerical and experimental investigations on flow patterns and vortices in pump intake using LBM-VOF model[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018.

[9] 吳鵬飛. 進水池表面吸氣渦動態(tài)過程及機理研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2018.

WU Pengfei. Study on dynamic process and mechanism of air-entraining vortices in pump sump[D]. Wuhan: Wuhan University, 2018.

[10] KHADEM Rabe B, GHOREISHI Najafabadi S H, SARKARDEH H. Numerical simulation of anti-vortex devices at water intakes[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management, 2018, 171(1): 18-29.

[11] 初長虹, 劉超, 孫玉民, 等. 泵站進水口淹沒深度對漩渦的影響[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2019, 17(6): 178-186.

CHU Changhong, LIU Chao, SUN Yumin, et al. The influence of submerged depth of pump station inlet on vortex[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology, 2019, 17(6): 178-186.

[12] 王本成, 詹杰民, 余凌暉, 等. 泵站進水池懸空高度水力特性數(shù)值模擬[J]. 水電能源科學, 2012, 30(11): 70-72.

WANG Bencheng, ZHAN Jiemin, YU Linghui, et al. Numerical simulation for flow characteristics of suspension height in suction sump of pump station[J]. Water Resources and Power, 2012, 30(11): 70-72.

[13] 周濟人, 仲召偉, 梁金棟, 等. 側(cè)向進水泵站前池整流三維數(shù)值計算[J]. 灌溉排水學報, 2015, 34(10): 52-55.

ZHOU Jiren, ZHONG Zhaowei, LIANG Jindong, et al. Three-dimensional numerical simulation of side-intake forebay of pumping station[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(10): 52-55.

[14] 宋希杰, 劉超. 基于V3V試驗的泵站進水池內(nèi)附底渦動力特性研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2021, 52(6): 177-185.

SONG Xijie, LIU Chao. Investigation on dynamic characteristics of floor-attached vortex in pump sump by V3V[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(6): 177-185.

[15] 魏航. 泵站進水池自由表面漩渦及防護措施研究[D]. 揚州: 揚州大學, 2016.

WEI Hang. Study on free surface vortex of the pump sump and prevent measures[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2016.

[16] 劉超, 梁豪杰, 金燕, 等. 立式軸流泵進水流場PIV測量[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2015, 46(8): 33-41.

LIU Chao, LIANG Haojie, JIN Yan, et al. PIV measurements of intake flow field in axial-flow pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(8): 33-41.

[17] 楊帆, 趙浩儒, 劉超, 等. 渦帶工況下軸流泵裝置內(nèi)部脈動特性數(shù)值分析[J]. 應用基礎與工程科學學報, 2017, 25(4): 670-678.

YANG Fan, ZHAO Haoru, LIU Chao, et al. Analysis on pressure fluctuation in axial-flow pumping system under partial load[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2017, 25(4): 670-678.

[18] 李大亮, 劉超, 湯方平. 開敞式進水池內(nèi)部流動的3DPIV實驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電, 2012(4): 102-106.

LI Daliang, LIU Chao, TANG Fangping. The application of 3DPIV to the flow measurements in opening pump sumps[J]. China Rural Water and Hydropower, 2012(4): 102-106.

[19] 孫洪亮, 劉亞坤. 進水口自由表面漩渦特性研究[J]. 水力發(fā)電學報, 2016, 35(4): 67-71.

SUN Hongliang, LIU Yakun. Characteristics of free surface vortices in hydraulic intakes[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(4): 67-71.

[20] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 泵站設計規(guī)范: GB 50265—2010[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Design Code for Pumping Station: GB 50265—2010[S]. Beijing: China Planning Press, 2011.

[21] KNAUSS J. Swirling Flow Problem at Intakes[M]. Rotterdam: Hydraulic Structures Design Manual, 1987.

[22] 濟南市平陰田山電灌管理處, 華北水利水電大學. 引黃泵站運行特性數(shù)值模擬與應用研究[R]. 2009.

Pingyin Tianshan Electric Irrigation Management Office, North China University of Water Conservancy and Hydropower. Research on the numerical simulation and application of the operation characteristics of the Yellow River Diversion Pumping Station [R]. 2009.

[23] 濟南市平陰田山電灌管理處, 華北水利水電大學. 田山引黃泵站水位-機組聯(lián)動運行特性與試驗研究[R]. 2016.

Pingyin Tianshan Electric Irrigation Management Office, North China University of Water Conservancy and Hydropower. Tianshan Yellow River Diversion Pumping Station Water Level-Unit Linkage Operation Characteristics and Experimental Research[R]. 2016.

[24] 高余鑫. 基于不同進水流速的泵站進水水流特性研究[D]. 鄭州: 華北水利水電大學, 2021.

GAO Yuxin. Research on the characteristics of pumping station inlet water flow based on different inlet water flow rates[D]. Zhengzhou: North China University 0f Water Resources and Electric Power, 2021.

[25] 國家能源局. 火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房進水流道設計規(guī)范: DL/T 5489—2014[S]. 北京: 中國電力出版社, 2014.

National Energy Administration. Technical code for design of inlet flow passage of circulating water pump house of fossil-fired power plant: DL/T5489—2014[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2014.

The Influence of Inlet Flow Rate on Surface Eddy in Pumping Stations

GAO Chuanchang, GAO Yuxin*, WANG Shunsheng, GAO Zhikai

(North China University of Water Conservancy and Hydropower, Zhengzhou 450045, China)

【】The inflow water velocity controls water flow pattern in pumping stations. Turbulence accompanied by the generated vortices not only reduces pump operation but also causes cavitation, vibration, thereby compromising pump operation. The purpose of this paper is to study the influence of inlet water flow rate on flow pattern, generation and development of vortices in a real pump station.【】The NX UG10.0 software was used to construct the physical model for water intake in the pump; three-dimensional turbulence for the pump station, including the closed intake channel, horizontal intake and open intake pool, vertical intake, were described using the Reynolds’ equation, VOF model and unsteady SSTmodel. The impact of the distribution of influent flow field and generation, change and distribution of the vortices at different influent velocities was simulated for two influent modes.【】When the critical submerged depth of the inlet was met, the vortex intensity at the inlet surface under the two inlet modes increased with the increase in the inlet flow rate, and the vortices appeared on the two inlet surfaces and the inlet water. When the horizontal inlet velocity in the closed inlet flow channel was 0.217～0.304, 0.349～0.448, 0.482～0.554, 0.575～0.661 m/s, their associated vortex type was Ⅰ-Ⅱ, Ⅲ-Ⅳ, Ⅴ and Ⅵ, respectively. When the open vertical inlet flow velocity was 0.322～0.402, 0.484, 0.521～0.564 m/s, their associated vortex type was Ⅲ, Ⅳ-Ⅴ and Ⅵ, respectively. Surface vortices were simultaneously generated in the water body of the open inlet pool with vertical water inlet and vortex in the water. The simulation results were consistent with experimental results. 【】For pumping stations with closed inlet channel and horizontal inlet method, the inflow velocity should be less than 0.349 m/s for the open inlet pool. For pumping stations with vertical water intake, the influent flow rate should be less than 0.322 m/s.

pumping station; inlet water flow rate; vortex; numerical calculation; model test

高傳昌, 高余鑫, 汪順生, 等. 泵站進水流速對2種進水方式的表面漩渦特性影響的研究[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(3): 54-62.

GAO Chuanchang, GAO Yuxin, WANG Shunsheng, et al. The Influence of Inlet Flow Rate on Surface Eddy in Pumping Stations[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 54-62.

2021-09-13

國家自然科學基金項目（51309099，52079051）

高傳昌（1957-），男。教授，主要從事流體機械及流體工程研究工作。E-mail: gcc@ncwu.edu.cn

高余鑫（1995-），男。碩士研究生，研究方向為流體機械及流體動力工程。E-mail: gaoyuxin19950117@163.com

S512.11

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021439

1672 - 3317（2022）03 - 0054 - 09

責任編輯：趙宇龍