消渦裝置對泵站進水流道流場分布的影響分析

王其同，張 林，孫延寧

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

箱涵式進水流道在不加任何消渦措施下由于進水沿程流速突變導致附底渦產(chǎn)生，從而影響水泵喇叭管口及水泵進口的流速分布，易導致水泵振動，嚴重時水泵被迫停機。文章以東湖水庫入庫泵站進水流道的消渦裝置為研究對象，對無消渦措施方案、“L”形導流板方案、“十”字形導流板方案、導流錐結(jié)合后隔板方案4種方案進行穩(wěn)態(tài)模擬，分析當水流流動趨于穩(wěn)定時的流場分布，觀察消渦裝置對附底渦和附壁渦的影響，為泵房優(yōu)化設計及安全運行提供依據(jù)。

1 進水流道設計方案

1.1 基本情況

東湖水庫是南水北調(diào)東線膠東輸水干線上的重要調(diào)蓄水庫，采用泵站提水充庫，涵閘控制出庫的運行方式。泵站進水流道常采用有壓箱涵式進水流道。入庫泵站安裝4臺水泵機組，其中1400HLB-9.5型立式混流泵（大機組）2臺，單機流量6.4 m3/s，功率900 kW；900HLB-12.5型立式混流泵（小機組）2臺，單機流量2.6 m3/s，功率450 kW。喇叭管口直徑D=1.75 m，喇叭管口懸空高度1.4 m，后壁距2.0 m，側(cè)壁距2.425 m。

1.2 設計方案

入庫泵站箱涵式進水流道喇叭管口下不含任何消渦措施，如圖1（a）所示；為消除無消渦措施方案中進水喇叭口附近的附底渦和附壁渦，在喇叭口正下方底板上設置“L”形導流板，稱之為”L”形導流板方案，如圖1（b）所示；為簡化施工流程和降低施工難度，擬在“L”形導流板的基礎(chǔ)上再添加一塊導流板，垂直于“L”形導流板形成十字形導流板，十字形導流板的中心在喇叭口中心的正下方，垂直向?qū)Я靼宓拈L度為喇叭口直徑的0.3倍，形成十字形導流板方案，如圖1（c）所示；將“L”形導流板的順水流方向的縱向板進行拆除，并在喇叭口正下方的底板上設置導流錐以防止附底渦和附壁渦，導流錐結(jié)合后隔板（保留“L”形導流板立于進水流道后墻上的導流板）達到消渦的效果，導流錐為直線圓錐的方案稱之為導流錐結(jié)合后隔板方案，如圖1（d）所示。

圖1 進水流道方案設計示意圖

2 數(shù)值模擬計算方法

2.1 進水流道結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格剖分

東湖水庫入庫泵站流體域包括進水流道、進水管及消渦裝置（“L”形導流板、十字形導流板和導流錐），為保證計算精度，運用ANSYS-ICEM對流體區(qū)域進行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，同時對過流部件壁面進行邊界層網(wǎng)格劃分及局部加密。

2.2 邊界條件

在進行CFD求解時，除了考慮求解方法還需要考慮邊界條件的合理性。進口邊界條件采用速度進口，即給定流動進口處的速度大小和方向；為使進水口處的流速分布符合實際，在模擬時將進水流道沿進水反方向進行延伸。出口邊界條件采用自由出流。自由表面采用“剛蓋”假定的邊界條件。固壁邊界條件采用壁面函數(shù)法的壁面邊界進行處理。

3 結(jié)果分析

3.1 底部流場分析

分別以進水流道中距離底板5 cm斷面和喇叭口正下方5 cm斷面的速度流線矢量圖觀測喇叭口附近的水流狀態(tài)，此處分3種情況來討論。1）當?shù)装逄幱行郎u而喇叭口附近無旋渦時，此時的旋渦屬于潛在的不良流場，當流場發(fā)生突變時，底板上的旋渦極有可能發(fā)展成有害的喇叭口吸入渦；2）當?shù)装逄幱行郎u喇叭口附近也有旋渦時，此時的旋渦可以認定為附底渦，屬于有害的旋渦，需要進一步優(yōu)化流場；3）當?shù)装逄師o旋渦而喇叭口附近有旋渦時，如果旋渦不與喇叭口連通，可以判斷這是一種無害旋流，不會引起水泵振動。從模擬結(jié)果看出，只有導流錐結(jié)合后隔板方案的底部無旋渦，流態(tài)較好，其余3個方案均存在不同程度的渦流。無消渦措施方案中喇叭口從側(cè)面將水流吸入，喇叭口下方存在明顯的渦流；“L”形導流板方案中喇叭口下方同樣存在明顯的渦流，另外喇叭口兩側(cè)靠近邊壁處存在兩個明顯的旋渦；“十”字形導流板方案中喇叭口處的渦流同樣明顯；導流錐結(jié)合后隔板方案中流場改善顯著，喇叭口入口處的水流，部分從正前方直接吸入，部分繞過喇叭口從正后方吸入，正前方水流和正后方水流相遇形成旋流，可知此流場非有害旋流。

3.2 邊壁流場分析

分析4種方案下喇叭口右側(cè)距離外壁5 cm斷面和喇叭口左側(cè)距離外壁5 cm斷面處的速度流線矢量圖，可以看出4種方案均存在回流，無消渦措施方案和“十”字形導流板方案的回流為一個大回流和一個小回流相互作用；導流錐結(jié)合后隔板方案和“L”形導流板方案的流場分布非常相似，都只有一個大范圍的回流，這是由于部分未被喇叭口吸入的水流在進水流道后側(cè)形成回流。

3.3 后壁流場分析

分析4種方案下喇叭口后側(cè)距離外壁5 cm處斷面速度流線矢量圖，可以看出4種方案的流場均存在回流，無消渦措施方案和“十”字形導流板方案流態(tài)較為復雜，多個回流并存；“L”形導流板方案和導流錐結(jié)合后隔板方案中由于水泵的吸力和后壁隔板的作用使得水流形成旋流，其范圍較大、流速較小。

4 結(jié)論

1）綜合進水流道喇叭口底部流態(tài)分析、邊側(cè)流態(tài)分析及后側(cè)流態(tài)分析可以看出，導流錐結(jié)合后隔板方案的消除附底渦及附壁渦的效果最明顯，但對進水流道后壁處的回流沒有太大改善。

2）導流錐結(jié)合后隔板方案中流場改善顯著，喇叭口入口處的水流，部分從正前方直接吸入，部分繞過喇叭口從正后方吸入，正前方水流和正后方水流相遇形成旋流，流場非有害旋流。

3）無消渦措施方案和“十”字形導流板方案流態(tài)較為復雜，多個回流并存；“L”形導流板方案和導流錐結(jié)合后隔板方案中由于水泵的吸力和后壁隔板的作用使得水流形成旋流，其范圍較大、流速較小。