高揚(yáng)程離心泵出水管虹吸特性分析及優(yōu)化措施

李遠(yuǎn)余，王金旋，馮金海，2，陳建福

（1.哈爾濱電機(jī)廠責(zé)任有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040；2.水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱大電機(jī)研究所），黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

虹吸式出水流道斷流方式簡(jiǎn)單可靠，且可有效阻斷出水池高水位，在較低揚(yáng)程泵站廣泛應(yīng)用。虹吸管其性能主要由水力損失和虹吸形成時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。虹吸形成過(guò)程劃分為3 個(gè)階段：水力驅(qū)氣、水力挾氣和虹吸穩(wěn)定流[1]。水泵啟動(dòng)后，水力驅(qū)氣階段水流將輸水管道內(nèi)空氣排出；水力挾氣階段，以氣水混合物的形式將空氣挾帶出虹吸管，直至進(jìn)入虹吸穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，水力挾氣階段時(shí)間較長(zhǎng)。在虹吸形成過(guò)程中，水泵揚(yáng)程會(huì)升高并伴隨流量減小。因此，若虹吸形成時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者未能形成虹吸，會(huì)導(dǎo)致水力損失增大、機(jī)組振動(dòng)等危害[2]。

國(guó)外學(xué)者K. Babaeyan-Koopaei 等[3]通過(guò)試驗(yàn)，分析得出駝峰段滯留氣囊會(huì)導(dǎo)致虹吸管的排泄流量降低。國(guó)內(nèi)張金鳳、蔡海坤[4]等人認(rèn)為，輸水管道窩氣會(huì)減小有效過(guò)流面積，導(dǎo)致系統(tǒng)水力損失增加。徐磊[5]等人認(rèn)為采用Standard k-ε 湍流模型計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果最為吻合。陸林廣、劉榮華[6]等人發(fā)現(xiàn)在低揚(yáng)程下，虹吸式出水流道的水力損失明顯小于直管式出水流道。羅爽、趙文勝[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣團(tuán)迎流面所受到的水流動(dòng)壓力與粘性力是水流能否將氣團(tuán)整體挾帶出駝峰流道形成虹吸的決定性因素。吳志峰、陳松山[8]對(duì)比帶有不同孔徑真空破壞閥虹吸管的啟動(dòng)過(guò)程，結(jié)果顯示，帶有真空破壞閥的虹吸形成時(shí)間縮短近30%，且虹吸形成時(shí)間與真空破壞閥直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。陳曜輝、徐輝[9]等人通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)比了不同斷面形狀的虹吸管的水力特性，發(fā)現(xiàn)漸變斷面虹吸管的虹吸形成時(shí)間短，但其水力損失相對(duì)較大，降低泵站經(jīng)濟(jì)效益。

本文對(duì)某泵站高揚(yáng)程離心泵，通過(guò)CFD（computational fluid dynamics）手段結(jié)合某典型離心泵虹吸特性進(jìn)行分析，從運(yùn)行安全性、泵站經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，提出有效優(yōu)化措施，為泵站提供最佳虹吸技術(shù)方案。虹吸特性分析和改善措施可為后續(xù)采用虹吸出流型式離心泵站提供重要參考意見(jiàn)，并為推進(jìn)我國(guó)水泵項(xiàng)目技術(shù)進(jìn)步作出相應(yīng)貢獻(xiàn)。

1 虹吸管設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)置條件

某黃河岸邊取水泵站，泵房?jī)?nèi)布置6 臺(tái)立式單級(jí)、單吸蝸殼離心泵，泵站設(shè)計(jì)流量為27 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為116.3 m，泵站采用“正進(jìn)正出”，兩泵并聯(lián)至一排管道的布置型式。

該工程在取水樞紐處受地形及工程布置限制，不具備設(shè)置沉沙措施的條件，水泵過(guò)機(jī)平均含沙量為3.3 kg/m3，日含沙量最高可達(dá)20 kg/m3以上。超大泥沙含量給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)，尤其是停機(jī)泥沙回流，可造成水泵出水閥門(mén)堵塞，運(yùn)行維護(hù)成本增加。相關(guān)專(zhuān)家創(chuàng)造性提出在高揚(yáng)程離心泵使用虹吸出流型式，期望徹底解決水流回流帶來(lái)泥沙倒灌的危害。

1.2 管徑計(jì)算

虹吸管駝峰出水流速一般在2.0 m/s～2.5 m/s，考慮到單泵運(yùn)行時(shí)流速過(guò)小增加虹吸形成時(shí)間，因此選擇雙泵運(yùn)行時(shí)流速為2.5 m/s。根據(jù)公式

取管道直徑d=2.4 m。為了防止突發(fā)事件發(fā)生時(shí)倒吸，在駝峰最高處裝有真空破壞閥，確保停機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷流，真空破壞閥直徑為300 mm。

1.3 虹吸管最高點(diǎn)真空度計(jì)算

式中:Hs為虹吸管的真空值；Zs為駝峰最高處與上游水面的最大距離，Zs=6 m；h損失為駝峰至出水?dāng)嗝娴乃p失，h損失=0.075 m；V為虹吸管管道流速，V=2.48 m/s。

虹吸管最高處的最大真空度按不大于8 m 設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)水庫(kù)水位處于最低水位時(shí)，虹吸管最高點(diǎn)真空度為6.24 m，可保證虹吸管的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

本文針對(duì)圓形管道、方形管道建立多種三維模型，使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后確定網(wǎng)格數(shù)量為1.56×107個(gè)，三維模型和網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

圖1 管道三維模型及網(wǎng)格模型

利用ANSYS CFX 軟件進(jìn)行模擬，采用速度進(jìn)口邊界條件，其速度大小與管路中的實(shí)時(shí)揚(yáng)程相關(guān)，其關(guān)系由水泵特性決定。本模擬為便于比較不同方案，均設(shè)定進(jìn)水池水位779.89 m，出水池水位893.3 m。出口采用自由出流，壓力為0 Pa 的邊界條件；流體區(qū)域采用SST 湍流模型；采用經(jīng)典VOF 模型，定義自由面表面張力系數(shù)，氣液兩相為協(xié)同模型。非定常計(jì)算初值：初始時(shí)刻管路中全部為空氣，初始水位設(shè)定在管路進(jìn)口；出水池水位893.3 m，仿真過(guò)程中水位高度不變。

2.2 單泵啟動(dòng)工況

圖2 為圓形及方形虹吸管虹吸過(guò)程，在t=57 s時(shí)均完成水力驅(qū)氣，水流進(jìn)入水力挾氣階段。水經(jīng)過(guò)駝峰后沿著下降段下壁流動(dòng)，在駝峰頂部形成氣囊，從圖中可看出，同時(shí)間情況下圓管殘留氣囊體積明顯大于方形管，同時(shí)，方管中的水流在接觸水面時(shí)擊起出口附近水體，并挾帶大量氣體流出。圓管內(nèi)水體流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，下降段內(nèi)水位逐漸上升，下降段水流將水流表面空氣逐漸帶出。在t=192 s 時(shí)方管內(nèi)氣囊基本以氣水混合的型式存在，水流將以較快速度攜帶出全部空氣；圓管內(nèi)仍然存在少量空氣囊，與水體呈現(xiàn)出明顯的分層，排氣過(guò)程相對(duì)滯后。在t=320 s 時(shí)方形管內(nèi)部空氣已排盡，形成穩(wěn)定虹吸出流，圓管直至t=634 s 才形成虹吸。

圖2 Q=5.6 m3/s 時(shí)不同型式虹吸管的虹吸過(guò)程圖

由上述可知，方形管在駝峰處更利于氣水相接，其下降擴(kuò)散段可使氣體更容易形成氣團(tuán)，將氣體快速排出管道。圓管內(nèi)水體與氣囊分層明顯，水體排出管道相對(duì)遲緩，導(dǎo)致水力挾氣階段花費(fèi)大量時(shí)間。在同等條件下，方形管路形成虹吸時(shí)間可減少50%。

2.3 水力性能比較

本文為了充分說(shuō)明兩種管型的水力性能，對(duì)形成虹吸后其水力損失及速度場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。圖3為不同流量下對(duì)應(yīng)水力損失曲線(xiàn)，水力損失與流量正相關(guān)，且方管的損失約為圓管的2 倍。在流量小于3.6 m3/s 時(shí)，水力損失變化較為緩慢，當(dāng)流量大于3.6 m3/s 損失近似呈指數(shù)型式增長(zhǎng)增大，說(shuō)明在選擇虹吸管型式時(shí)應(yīng)充分考慮流量對(duì)其影響。

圖3 兩種虹吸管不同流量下水力損失

圖4 不同工況時(shí)兩種虹吸管的速度云圖

表1 為不同型式虹吸管的綜合性能。可以看出，駝峰斷面水體的流速是虹吸形成時(shí)間的關(guān)鍵因素，對(duì)于同一虹吸管，增大流量后形成虹吸的時(shí)間大大縮短。對(duì)于不同的虹吸管，方管駝峰斷面的平均速度小于圓管的，但其最大速度大于圓管，這說(shuō)明增加最大流速有利于虹吸的形成。

表1 不同型式虹吸管的綜合性能

從速度云圖可看出，圓管內(nèi)速度分布較為均勻，高速區(qū)主要集中在駝峰處，，駝峰斷面處主流區(qū)由管壁向中心的速度梯度小，速度變化更均勻，因此水力損失更小，同時(shí)也導(dǎo)致形成虹吸的時(shí)間較長(zhǎng)；漸擴(kuò)管高流速區(qū)在上升段進(jìn)口處，下降段流速由壁面向中心逐漸降低，在駝峰處該現(xiàn)象更為明顯，駝峰斷面處主流區(qū)由管壁向中心的速度梯度大。水體到達(dá)下降段時(shí)發(fā)生脫流，因此可以?huà)稁Ц嗫諝猓纬珊缥臅r(shí)間大大縮短，但同時(shí)也導(dǎo)致更大的水力損失。

2.4 傾角優(yōu)化比較

本文提出了下降段傾角為30°、45°和60°（B30、B45 和B60）3 種方案，進(jìn)行虹吸式出水管優(yōu)化。圖5、圖6 展示了水力驅(qū)氣完成和水力挾氣完成時(shí)刻水體積分?jǐn)?shù)云圖。B30 水力驅(qū)氣所耗費(fèi)時(shí)長(zhǎng)最短，但無(wú)法形成虹吸，B45 和B60 方案均可順利完成穩(wěn)定虹吸現(xiàn)象。由此可以看出，增大傾角B有利于實(shí)現(xiàn)虹吸。此外，降低上升段流速，可加快消除駝峰處真空?qǐng)F(tuán)的進(jìn)程。

圖5 不同方案水力驅(qū)氣完成水體積分?jǐn)?shù)云圖

圖6 不同方案水力挾氣完成水體積分?jǐn)?shù)云圖

圖7 分別展示了3 種方案的駝峰壓頭曲線(xiàn)，可以看出，3 種方案在水力驅(qū)氣階段揚(yáng)程急劇增加，流量急劇減小，駝峰壓力緩慢減小。在水力挾氣階段，揚(yáng)程先減小之后趨于穩(wěn)定，流量先增加之后趨于穩(wěn)定，駝峰壓力先急劇減小，之后由正壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓，急劇減小最后趨于穩(wěn)定。在整個(gè)虹吸形成過(guò)程，3種方案駝峰處最高正壓頭均為3.6 m，而最高負(fù)壓頭有所不同，B30、B45和B60最高負(fù)壓頭分別為2.2 m、2.5 m、2.4 m。

圖7 不同方案駝峰壓頭曲線(xiàn)

根據(jù)虹吸式出水管虹吸形成過(guò)程的相關(guān)研究，虹吸式出水管內(nèi)的流速分布大多不均勻，特別在駝峰段和下降段，水流急劇轉(zhuǎn)向，易在管道下降段下側(cè)形成較大范圍的脫流，并在管道駝峰段或下降段形成真空，加劇虹吸形成時(shí)間。從流體力學(xué)角度分析，當(dāng)流體過(guò)駝峰處流速過(guò)大，將會(huì)在下降段下側(cè)形成脫流，造成真空?qǐng)F(tuán)；當(dāng)流體過(guò)駝峰處流速過(guò)小，將無(wú)法在駝峰處形成滿(mǎn)流，造成駝峰處形成真空?qǐng)F(tuán)。造成圓管出口方案虹吸形成時(shí)間較長(zhǎng)的表面現(xiàn)象是駝峰處的真空?qǐng)F(tuán)，其根本原因是流體過(guò)駝峰處的流速相對(duì)較小，因此，提高流體過(guò)駝峰處的流速是優(yōu)化虹吸壓力管道最佳方向。

3 結(jié)論

（1）駝峰處空氣滯留時(shí)間是虹吸形成時(shí)間的關(guān)鍵因素，方管更有利于滯留氣團(tuán)的排出，縮短虹吸形成時(shí)間，但圓形斷面會(huì)有更小的水力損失，流動(dòng)更穩(wěn)定，選用虹吸管型式時(shí)需綜合考慮。

（2）流速是影響虹吸形成的主要因素，合理控制駝峰斷面特征尺寸可縮短虹吸形成時(shí)間，但是過(guò)大的流速會(huì)增加水力損失，因此在工程應(yīng)用中應(yīng)同時(shí)考慮虹吸效果和水力損失。

（3）虹吸出口傾角過(guò)小時(shí)無(wú)法形成虹吸現(xiàn)象，適當(dāng)增大傾角有利于虹吸形成。

（4）高揚(yáng)程離心泵均用圓形鋼管輸送，考慮到土建成本以及加工難度，最終推薦圓形虹吸出流形狀。

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