淺析泵站喇叭管進(jìn)水流道內(nèi)部旋渦

葉鵬 李虎

一、引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國水泵站的發(fā)展規(guī)模已位居世界第一，大量的水泵廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城鎮(zhèn)建設(shè)等領(lǐng)域，為推動現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)揮了巨大的作用。水泵站的核心是泵裝置，而進(jìn)水流道是整個泵裝置的重要組成部分。進(jìn)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(diào)整水流，為水泵葉輪室提供良好的進(jìn)水流態(tài)。旋渦是進(jìn)水流道中一種常見的物理現(xiàn)象，有相關(guān)學(xué)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(yīng)用中大部分進(jìn)水流道都是帶著旋渦工作的，雖然有些旋渦是非穩(wěn)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(jìn)口水力條件及水泵裝置工作狀態(tài)，降低泵裝置的效率，而且還會誘發(fā)汽蝕，削弱水泵的穩(wěn)定性及安全性。因此，有必要深入研究進(jìn)水流道中的旋渦運動的相關(guān)機理，鑒別不同類型的旋渦，并找到相應(yīng)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(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)非常復(fù)雜，存在多種旋渦，按照旋渦發(fā)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(fā)生在進(jìn)水建筑物進(jìn)水口的表面，根據(jù)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(zhuǎn)速度最小，不吸氣，危害最小;Ⅳ型渦旋轉(zhuǎn)速度最大，連續(xù)吸氣，危害最大

（二）附壁渦：附壁渦一般可以分為側(cè)壁旋渦和后壁旋渦兩種。

1.側(cè)壁旋渦：側(cè)壁旋渦產(chǎn)生于喇叭管進(jìn)水流道的側(cè)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(xù)前進(jìn)，產(chǎn)生回流，而這部分回流會與主流摻混，誘發(fā)旋渦，嚴(yán)重時將產(chǎn)生渦帶。進(jìn)水流道寬度過小，會增大水流從喇叭管兩側(cè)進(jìn)入時受到的阻力，從而容易產(chǎn)生側(cè)壁旋渦。

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

3.附底渦：附底旋渦產(chǎn)生于喇叭管進(jìn)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(fā)展延伸至喇叭管內(nèi)部，最終消散于葉輪進(jìn)口。

三、旋渦的防治

為了減少喇叭管進(jìn)水流道內(nèi)部旋渦的危害，專家學(xué)者們設(shè)立了許多消渦措施，可以大致歸納為通過設(shè)計相關(guān)參數(shù)，消除旋渦增大的來源、直接破壞旋渦的結(jié)構(gòu)以及設(shè)立防渦結(jié)構(gòu)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(diào)整水泵站，水電站相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，控制運行條件來消除水面渦，比如增大進(jìn)水口淹沒深度，減少進(jìn)水角度，限制進(jìn)水水流的流速，合理布置設(shè)計喇叭口，選擇適宜的導(dǎo)墻和胸墻的形式等。

2.可以通過安裝專門的防渦結(jié)構(gòu)的方式來阻止旋渦的產(chǎn)生，如可以在發(fā)生水面渦的位置設(shè)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(huán)量，并增大水流的水面張力，減少產(chǎn)生水面渦的條件。

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

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

（二）側(cè)壁旋渦。喇叭管進(jìn)水流道寬度對喇叭管進(jìn)水流道側(cè)壁旋渦具有決定性的影響。進(jìn)水流道寬度過小，會增大水流從喇叭管兩側(cè)進(jìn)入時受到的阻力。我們可以通過增大喇叭管進(jìn)水流道的寬度來削弱側(cè)壁旋渦的強度。根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬和實驗，喇叭管進(jìn)水流道寬度小于2.8倍的葉輪直徑時，將會產(chǎn)生較強的側(cè)壁渦帶，故喇叭管進(jìn)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(jìn)水流道的后壁距及后壁形狀有著密切的關(guān)系。相關(guān)數(shù)值模擬和實驗表明：喇叭管進(jìn)水流道后壁距越小，固體邊壁發(fā)生突變的程度越厲害，側(cè)壁旋渦的強度就越高，故我們可以通過增大喇叭管進(jìn)水流道的后壁距，并將后壁形狀設(shè)計成適合水流流動的“ω”型，這樣可以使喇叭管進(jìn)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(jìn)水流道的懸空高有著密切的關(guān)系。相關(guān)數(shù)值模擬和實驗表明：喇叭管進(jìn)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(jìn)水流道的懸空高來削弱附底旋渦。還可以在進(jìn)水流道喇叭管正下方設(shè)置防渦導(dǎo)水錐和隔渦板來消除附底旋渦。

四、結(jié)語

本文簡要地從喇叭管進(jìn)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(jìn)水流道旋渦，對喇叭管進(jìn)水流道的水力設(shè)計和工程實際應(yīng)用有一定的參考價值。今后可繼續(xù)對進(jìn)水流道的旋渦進(jìn)行更加深入的研究，將各類旋渦數(shù)值模擬和模型試驗的結(jié)果結(jié)合起來進(jìn)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(yōu)化提供依據(jù)。（作者單位：南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司）