陳國(guó)柱

摘 要：隨著人們?nèi)諠u了解與認(rèn)識(shí)水泵裝置中出水流道的地位與作用，開(kāi)始重視對(duì)出水流道的研究。而出水流道的基本形態(tài)是研究人員首先要研究了解的部分。該文針對(duì)泵站出水流道的基本形態(tài)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：水泵 出水流道 基本流態(tài)

中圖分類號(hào)：TV135.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（b）-0027-02

1 泵站出水流道研究現(xiàn)狀及重要性

在過(guò)去，國(guó)內(nèi)只是對(duì)出水流道的水力損失這一塊做過(guò)實(shí)驗(yàn)研究。而近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已越來(lái)越重視出水流道對(duì)泵站裝置的作用。隨著研究的深入，對(duì)其認(rèn)識(shí)也越來(lái)越清楚，提出要對(duì)出水流道水力的設(shè)計(jì)理念與方法進(jìn)行相關(guān)研究的要求。根據(jù)其相關(guān)內(nèi)容，可以知道在泵站裝置中，出水流道的相關(guān)布置會(huì)嚴(yán)重影響到其裝置效率，所以出水流道型線的變化必須要具備均勻的特點(diǎn)。

泵站出水流道的設(shè)計(jì)與泵站進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)都是整個(gè)泵站設(shè)計(jì)過(guò)程中十分重要的組成部分，設(shè)計(jì)的結(jié)果會(huì)對(duì)企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接的影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，這些工程設(shè)計(jì)必須跟著改進(jìn)及完善。

2 泵站出水流道出水流道基本形態(tài)

2.1 虹吸式

虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一種基本形態(tài)，它通過(guò)采取破壞真空的方法在水泵機(jī)組發(fā)生停機(jī)的時(shí)候進(jìn)行斷流。這種方法操作簡(jiǎn)便可靠，能夠及時(shí)將水流切斷，而且水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)的時(shí)候所需要的時(shí)間很短。虹吸式出水流道可分為上升段和下降段，其中上升段的水流流動(dòng)很平順，而且斷面越大，水流速度就越小。上升段與下降段之間存在駝峰段，當(dāng)水流以極快的速度越過(guò)它轉(zhuǎn)向下降段時(shí)，在較強(qiáng)的慣性作用下，水流會(huì)偏向流道的外側(cè)。這個(gè)時(shí)候流道的內(nèi)側(cè)會(huì)出現(xiàn)范圍比較大的脫流，而且隨著下降段越來(lái)越陡，其現(xiàn)象就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，最終使得流道出口段產(chǎn)生體積不小的旋渦。垂直方向上的旋渦會(huì)呈現(xiàn)以流道中心為圓心的強(qiáng)弱分布，圓心處最強(qiáng)，而流道邊壁處很弱。而在水平方向上，則沒(méi)有脫流的現(xiàn)象或者尺度比較大的旋渦。把計(jì)算流量無(wú)論是減少還是增加20%，都會(huì)出現(xiàn)流量越大，旋渦強(qiáng)度和影響范圍也越大的情況。而在這個(gè)過(guò)程中，出水流道的基本流態(tài)卻沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性變化，如圖1示。

2.2 直管式

直管式出水流道已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多種泵站中，其斷流方法一般為液壓控制的快速閘門(mén)以及拍門(mén)。直管式出水流道形狀比較簡(jiǎn)單，在施工的過(guò)程中還具有比較便利的特點(diǎn)。而且節(jié)省了土建投資，運(yùn)行比較穩(wěn)定，啟功的揚(yáng)程也比較低，如圖2示。

直管式出水流道相接于水泵出口60°的彎管，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個(gè)方向上越來(lái)越大，流道內(nèi)的平均流速卻越來(lái)越小。直管式出水流道的流態(tài)一般是平順的，水流只在進(jìn)入出水池后才會(huì)突然擴(kuò)散。所以，出水池底部會(huì)有一個(gè)影響區(qū)域很大卻并不強(qiáng)烈的旋渦，會(huì)對(duì)流道內(nèi)的流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，流道底部靠近出口的地方會(huì)存在滯水區(qū)域。其出口斷面還沒(méi)出現(xiàn)負(fù)流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均勻，但比虹吸式流道要好。不過(guò)尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒(méi)有出現(xiàn)在流道平面的方向上。在設(shè)計(jì)流量的前提下，將計(jì)算流量減少或者增加20%時(shí)，也不會(huì)對(duì)流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.3 斜式

按照水平線與水泵軸線之間的夾角以及對(duì)各種水泵裝置揚(yáng)程的適應(yīng)性，可以將斜式出水流道分為15 °、30 °和45 °三種型式，通常會(huì)和斜式軸伸泵裝置進(jìn)行配套使用。斜式軸伸泵裝置早在20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始就在國(guó)內(nèi)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用，通常水流比較平順，轉(zhuǎn)彎角度不大，在低揚(yáng)程大型泵站中會(huì)比較常見(jiàn)這種出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵導(dǎo)葉出口，其流道形態(tài)和直管式的差不多，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個(gè)方向上越來(lái)越大，如圖3示。

其流態(tài)很平順，出水池里面的流態(tài)和直管式比較像。當(dāng)水流在進(jìn)入出水池之后擴(kuò)散，會(huì)在其底部形成立面旋渦。事實(shí)上，三種型式的斜式出水流道的旋渦都會(huì)以不同的程度延伸到流道的內(nèi)部，對(duì)其流道出口周?chē)牧鲬B(tài)產(chǎn)生影響。在15 °斜式流道出口處，會(huì)有負(fù)流速產(chǎn)生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均勻，其程度處于上面兩種出水流道之間。尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒(méi)有出現(xiàn)在斜式流道平面的方向上。在設(shè)計(jì)流量的前提下，將計(jì)算流量減少或者增加20%時(shí)，也不會(huì)對(duì)流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.4 箱涵式

出水流道基本流態(tài)常見(jiàn)的都是上述三種，而箱涵式出水流道一般應(yīng)用于特低揚(yáng)泵站中，斷流的方式為快速閘門(mén)。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道長(zhǎng)度、寬度、高度和后壁型線形狀以及后壁距。其中，在高度方面可分為根據(jù)類似工程確定的喇叭口到出水流道的頂板之間的懸空高度、根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)而確定的喇叭管伸入其流道時(shí)的高度。其長(zhǎng)度會(huì)在對(duì)工作橋和泵房進(jìn)行布置時(shí)而確定，出水流道的寬度會(huì)和進(jìn)水流道的寬度一樣，如圖4示。

3 泵站出水流道基本流態(tài)初步計(jì)算分析

泵站出水流道的內(nèi)部流場(chǎng)相關(guān)數(shù)值模擬的控制方程為動(dòng)量方程和連續(xù)方程、k-ε模型的k方程與ε方程。而出水流道流動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型邊界條件的內(nèi)容包括進(jìn)口邊界、出口邊界、固壁邊界以及自由表面。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口會(huì)設(shè)置在水泵后面流動(dòng)非常充分的導(dǎo)葉出口斷面處。按照設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)葉出口環(huán)量非常小。所以出水流道的流場(chǎng)進(jìn)口邊界條件為進(jìn)口流速與流場(chǎng)進(jìn)口斷面相垂直。而計(jì)算流場(chǎng)的出口會(huì)設(shè)置在與流道出口有一段距離的出水池里，其出口邊界條件和靜水壓力分布給出的條件差不多。

4 泵站出水流道實(shí)驗(yàn)研究

在對(duì)泵站出水流道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，以低揚(yáng)程立式軸流泵為例。出水流道對(duì)于立式軸流泵來(lái)說(shuō)，其作用是使得水流轉(zhuǎn)向有序以及擴(kuò)散平緩，使得流道盡量不會(huì)發(fā)生旋渦、脫流等現(xiàn)象，而且在流道的水力損失盡可能小的情況下盡量將水流的動(dòng)能多點(diǎn)回收。在大型立式軸流泵中，通常會(huì)與虹吸式與直管式兩種型式的出水流道進(jìn)行配套使用。要確保其水泵裝置具備最好的能量性能，就要具備理想的出水流態(tài)。而理想的出水流態(tài)能夠?qū)Φ蛽P(yáng)程站的效率產(chǎn)生十分大的影響。出水流道的最基本屬性就是出水流態(tài)，它能夠完全決定流道水力性能。因此，低揚(yáng)程立式軸流泵在選擇出水流道形式時(shí)，可以結(jié)合數(shù)據(jù)模擬與模型試驗(yàn)準(zhǔn)確分析與評(píng)價(jià)各種出水流道的基本流態(tài)。

4.1 虹吸式出水流道三維流場(chǎng)

將虹吸式出水流道進(jìn)行優(yōu)化之后，再對(duì)其進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場(chǎng)示意圖，如圖5～6示。

由圖5、圖6可知，流道進(jìn)口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進(jìn)入流道。隨著虹吸式出水流道寬度正在不斷擴(kuò)大，雖然上升段的各斷面高度不斷減小，但是其流速卻在不斷減小。水流的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)向角度都比較平緩，沒(méi)有發(fā)生脫流的現(xiàn)象。由于環(huán)量與水流慣性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右兩邊的流場(chǎng)并沒(méi)有具備對(duì)稱性。從水流順?lè)较蛴^察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時(shí)有范圍不大、強(qiáng)度也有些弱的局部旋渦出現(xiàn)在流道右下側(cè)的下方區(qū)域立面方向上。

4.2 直管式出水流道三維流場(chǎng)

將直管式出水流道進(jìn)行優(yōu)化之后，再對(duì)其進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場(chǎng)示意圖。

由圖可知，流道進(jìn)口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進(jìn)入流道。直管式出水流道轉(zhuǎn)向?yàn)?0 °時(shí)，其轉(zhuǎn)彎的半徑很小，再加上環(huán)量與水流慣性的存在，使得直管式出水流道在轉(zhuǎn)向90 °之后，其流道的下降段位于左右兩邊的流場(chǎng)并沒(méi)有具備對(duì)稱性。從水流順?lè)较蛴^察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時(shí)有范圍不大旋渦出現(xiàn)在流道下降段右下側(cè)的下方區(qū)域里。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著泵站出水流道的流動(dòng)形態(tài)日益受到關(guān)注，對(duì)泵站出水流道基本流態(tài)的研究勢(shì)在必行。而數(shù)值模擬的方法有利于將其流動(dòng)形態(tài)揭示出來(lái)，同時(shí)也能夠?yàn)楸谜境鏊鞯捞峁┧υO(shè)計(jì)的改進(jìn)方法。泵站出水流道出口的斷面周?chē)加辛⒚娣较蛏系男郎u，能夠影響其流速的分布。因此，還需要更加深入研究泵站出水流道。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸林廣，劉麗君，劉軍.泵站出水流道基本流態(tài)分析[J].水利學(xué)報(bào)，2000（3）：45-46.

[2] 陸林廣，陳阿萍，黃金軍，等.低揚(yáng)程立式軸流泵出水流道基本流態(tài)及水力性能的比較[J].南腔北調(diào)與水利科技，2007（4）：79-80.endprint

摘 要：隨著人們?nèi)諠u了解與認(rèn)識(shí)水泵裝置中出水流道的地位與作用，開(kāi)始重視對(duì)出水流道的研究。而出水流道的基本形態(tài)是研究人員首先要研究了解的部分。該文針對(duì)泵站出水流道的基本形態(tài)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：水泵 出水流道 基本流態(tài)

中圖分類號(hào)：TV135.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（b）-0027-02

1 泵站出水流道研究現(xiàn)狀及重要性

在過(guò)去，國(guó)內(nèi)只是對(duì)出水流道的水力損失這一塊做過(guò)實(shí)驗(yàn)研究。而近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已越來(lái)越重視出水流道對(duì)泵站裝置的作用。隨著研究的深入，對(duì)其認(rèn)識(shí)也越來(lái)越清楚，提出要對(duì)出水流道水力的設(shè)計(jì)理念與方法進(jìn)行相關(guān)研究的要求。根據(jù)其相關(guān)內(nèi)容，可以知道在泵站裝置中，出水流道的相關(guān)布置會(huì)嚴(yán)重影響到其裝置效率，所以出水流道型線的變化必須要具備均勻的特點(diǎn)。

泵站出水流道的設(shè)計(jì)與泵站進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)都是整個(gè)泵站設(shè)計(jì)過(guò)程中十分重要的組成部分，設(shè)計(jì)的結(jié)果會(huì)對(duì)企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接的影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，這些工程設(shè)計(jì)必須跟著改進(jìn)及完善。

2 泵站出水流道出水流道基本形態(tài)

2.1 虹吸式

虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一種基本形態(tài)，它通過(guò)采取破壞真空的方法在水泵機(jī)組發(fā)生停機(jī)的時(shí)候進(jìn)行斷流。這種方法操作簡(jiǎn)便可靠，能夠及時(shí)將水流切斷，而且水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)的時(shí)候所需要的時(shí)間很短。虹吸式出水流道可分為上升段和下降段，其中上升段的水流流動(dòng)很平順，而且斷面越大，水流速度就越小。上升段與下降段之間存在駝峰段，當(dāng)水流以極快的速度越過(guò)它轉(zhuǎn)向下降段時(shí)，在較強(qiáng)的慣性作用下，水流會(huì)偏向流道的外側(cè)。這個(gè)時(shí)候流道的內(nèi)側(cè)會(huì)出現(xiàn)范圍比較大的脫流，而且隨著下降段越來(lái)越陡，其現(xiàn)象就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，最終使得流道出口段產(chǎn)生體積不小的旋渦。垂直方向上的旋渦會(huì)呈現(xiàn)以流道中心為圓心的強(qiáng)弱分布，圓心處最強(qiáng)，而流道邊壁處很弱。而在水平方向上，則沒(méi)有脫流的現(xiàn)象或者尺度比較大的旋渦。把計(jì)算流量無(wú)論是減少還是增加20%，都會(huì)出現(xiàn)流量越大，旋渦強(qiáng)度和影響范圍也越大的情況。而在這個(gè)過(guò)程中，出水流道的基本流態(tài)卻沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性變化，如圖1示。

2.2 直管式

直管式出水流道已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多種泵站中，其斷流方法一般為液壓控制的快速閘門(mén)以及拍門(mén)。直管式出水流道形狀比較簡(jiǎn)單，在施工的過(guò)程中還具有比較便利的特點(diǎn)。而且節(jié)省了土建投資，運(yùn)行比較穩(wěn)定，啟功的揚(yáng)程也比較低，如圖2示。

直管式出水流道相接于水泵出口60°的彎管，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個(gè)方向上越來(lái)越大，流道內(nèi)的平均流速卻越來(lái)越小。直管式出水流道的流態(tài)一般是平順的，水流只在進(jìn)入出水池后才會(huì)突然擴(kuò)散。所以，出水池底部會(huì)有一個(gè)影響區(qū)域很大卻并不強(qiáng)烈的旋渦，會(huì)對(duì)流道內(nèi)的流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，流道底部靠近出口的地方會(huì)存在滯水區(qū)域。其出口斷面還沒(méi)出現(xiàn)負(fù)流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均勻，但比虹吸式流道要好。不過(guò)尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒(méi)有出現(xiàn)在流道平面的方向上。在設(shè)計(jì)流量的前提下，將計(jì)算流量減少或者增加20%時(shí)，也不會(huì)對(duì)流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.3 斜式

按照水平線與水泵軸線之間的夾角以及對(duì)各種水泵裝置揚(yáng)程的適應(yīng)性，可以將斜式出水流道分為15 °、30 °和45 °三種型式，通常會(huì)和斜式軸伸泵裝置進(jìn)行配套使用。斜式軸伸泵裝置早在20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始就在國(guó)內(nèi)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用，通常水流比較平順，轉(zhuǎn)彎角度不大，在低揚(yáng)程大型泵站中會(huì)比較常見(jiàn)這種出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵導(dǎo)葉出口，其流道形態(tài)和直管式的差不多，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫危诹⒚媾c平面兩個(gè)方向上越來(lái)越大，如圖3示。

其流態(tài)很平順，出水池里面的流態(tài)和直管式比較像。當(dāng)水流在進(jìn)入出水池之后擴(kuò)散，會(huì)在其底部形成立面旋渦。事實(shí)上，三種型式的斜式出水流道的旋渦都會(huì)以不同的程度延伸到流道的內(nèi)部，對(duì)其流道出口周?chē)牧鲬B(tài)產(chǎn)生影響。在15 °斜式流道出口處，會(huì)有負(fù)流速產(chǎn)生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均勻，其程度處于上面兩種出水流道之間。尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒(méi)有出現(xiàn)在斜式流道平面的方向上。在設(shè)計(jì)流量的前提下，將計(jì)算流量減少或者增加20%時(shí)，也不會(huì)對(duì)流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.4 箱涵式

出水流道基本流態(tài)常見(jiàn)的都是上述三種，而箱涵式出水流道一般應(yīng)用于特低揚(yáng)泵站中，斷流的方式為快速閘門(mén)。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道長(zhǎng)度、寬度、高度和后壁型線形狀以及后壁距。其中，在高度方面可分為根據(jù)類似工程確定的喇叭口到出水流道的頂板之間的懸空高度、根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)而確定的喇叭管伸入其流道時(shí)的高度。其長(zhǎng)度會(huì)在對(duì)工作橋和泵房進(jìn)行布置時(shí)而確定，出水流道的寬度會(huì)和進(jìn)水流道的寬度一樣，如圖4示。

3 泵站出水流道基本流態(tài)初步計(jì)算分析

泵站出水流道的內(nèi)部流場(chǎng)相關(guān)數(shù)值模擬的控制方程為動(dòng)量方程和連續(xù)方程、k-ε模型的k方程與ε方程。而出水流道流動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型邊界條件的內(nèi)容包括進(jìn)口邊界、出口邊界、固壁邊界以及自由表面。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口會(huì)設(shè)置在水泵后面流動(dòng)非常充分的導(dǎo)葉出口斷面處。按照設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)葉出口環(huán)量非常小。所以出水流道的流場(chǎng)進(jìn)口邊界條件為進(jìn)口流速與流場(chǎng)進(jìn)口斷面相垂直。而計(jì)算流場(chǎng)的出口會(huì)設(shè)置在與流道出口有一段距離的出水池里，其出口邊界條件和靜水壓力分布給出的條件差不多。

4 泵站出水流道實(shí)驗(yàn)研究

在對(duì)泵站出水流道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，以低揚(yáng)程立式軸流泵為例。出水流道對(duì)于立式軸流泵來(lái)說(shuō)，其作用是使得水流轉(zhuǎn)向有序以及擴(kuò)散平緩，使得流道盡量不會(huì)發(fā)生旋渦、脫流等現(xiàn)象，而且在流道的水力損失盡可能小的情況下盡量將水流的動(dòng)能多點(diǎn)回收。在大型立式軸流泵中，通常會(huì)與虹吸式與直管式兩種型式的出水流道進(jìn)行配套使用。要確保其水泵裝置具備最好的能量性能，就要具備理想的出水流態(tài)。而理想的出水流態(tài)能夠?qū)Φ蛽P(yáng)程站的效率產(chǎn)生十分大的影響。出水流道的最基本屬性就是出水流態(tài)，它能夠完全決定流道水力性能。因此，低揚(yáng)程立式軸流泵在選擇出水流道形式時(shí)，可以結(jié)合數(shù)據(jù)模擬與模型試驗(yàn)準(zhǔn)確分析與評(píng)價(jià)各種出水流道的基本流態(tài)。

4.1 虹吸式出水流道三維流場(chǎng)

將虹吸式出水流道進(jìn)行優(yōu)化之后，再對(duì)其進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場(chǎng)示意圖，如圖5～6示。

由圖5、圖6可知，流道進(jìn)口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進(jìn)入流道。隨著虹吸式出水流道寬度正在不斷擴(kuò)大，雖然上升段的各斷面高度不斷減小，但是其流速卻在不斷減小。水流的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)向角度都比較平緩，沒(méi)有發(fā)生脫流的現(xiàn)象。由于環(huán)量與水流慣性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右兩邊的流場(chǎng)并沒(méi)有具備對(duì)稱性。從水流順?lè)较蛴^察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時(shí)有范圍不大、強(qiáng)度也有些弱的局部旋渦出現(xiàn)在流道右下側(cè)的下方區(qū)域立面方向上。

4.2 直管式出水流道三維流場(chǎng)

將直管式出水流道進(jìn)行優(yōu)化之后，再對(duì)其進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場(chǎng)示意圖。

由圖可知，流道進(jìn)口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進(jìn)入流道。直管式出水流道轉(zhuǎn)向?yàn)?0 °時(shí)，其轉(zhuǎn)彎的半徑很小，再加上環(huán)量與水流慣性的存在，使得直管式出水流道在轉(zhuǎn)向90 °之后，其流道的下降段位于左右兩邊的流場(chǎng)并沒(méi)有具備對(duì)稱性。從水流順?lè)较蛴^察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時(shí)有范圍不大旋渦出現(xiàn)在流道下降段右下側(cè)的下方區(qū)域里。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著泵站出水流道的流動(dòng)形態(tài)日益受到關(guān)注，對(duì)泵站出水流道基本流態(tài)的研究勢(shì)在必行。而數(shù)值模擬的方法有利于將其流動(dòng)形態(tài)揭示出來(lái)，同時(shí)也能夠?yàn)楸谜境鏊鞯捞峁┧υO(shè)計(jì)的改進(jìn)方法。泵站出水流道出口的斷面周?chē)加辛⒚娣较蛏系男郎u，能夠影響其流速的分布。因此，還需要更加深入研究泵站出水流道。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸林廣，劉麗君，劉軍.泵站出水流道基本流態(tài)分析[J].水利學(xué)報(bào)，2000（3）：45-46.

[2] 陸林廣，陳阿萍，黃金軍，等.低揚(yáng)程立式軸流泵出水流道基本流態(tài)及水力性能的比較[J].南腔北調(diào)與水利科技，2007（4）：79-80.endprint

摘 要：隨著人們?nèi)諠u了解與認(rèn)識(shí)水泵裝置中出水流道的地位與作用，開(kāi)始重視對(duì)出水流道的研究。而出水流道的基本形態(tài)是研究人員首先要研究了解的部分。該文針對(duì)泵站出水流道的基本形態(tài)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：水泵 出水流道 基本流態(tài)

中圖分類號(hào)：TV135.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（b）-0027-02

1 泵站出水流道研究現(xiàn)狀及重要性

在過(guò)去，國(guó)內(nèi)只是對(duì)出水流道的水力損失這一塊做過(guò)實(shí)驗(yàn)研究。而近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已越來(lái)越重視出水流道對(duì)泵站裝置的作用。隨著研究的深入，對(duì)其認(rèn)識(shí)也越來(lái)越清楚，提出要對(duì)出水流道水力的設(shè)計(jì)理念與方法進(jìn)行相關(guān)研究的要求。根據(jù)其相關(guān)內(nèi)容，可以知道在泵站裝置中，出水流道的相關(guān)布置會(huì)嚴(yán)重影響到其裝置效率，所以出水流道型線的變化必須要具備均勻的特點(diǎn)。

泵站出水流道的設(shè)計(jì)與泵站進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)都是整個(gè)泵站設(shè)計(jì)過(guò)程中十分重要的組成部分，設(shè)計(jì)的結(jié)果會(huì)對(duì)企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接的影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，這些工程設(shè)計(jì)必須跟著改進(jìn)及完善。

2 泵站出水流道出水流道基本形態(tài)

2.1 虹吸式

虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一種基本形態(tài)，它通過(guò)采取破壞真空的方法在水泵機(jī)組發(fā)生停機(jī)的時(shí)候進(jìn)行斷流。這種方法操作簡(jiǎn)便可靠，能夠及時(shí)將水流切斷，而且水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)的時(shí)候所需要的時(shí)間很短。虹吸式出水流道可分為上升段和下降段，其中上升段的水流流動(dòng)很平順，而且斷面越大，水流速度就越小。上升段與下降段之間存在駝峰段，當(dāng)水流以極快的速度越過(guò)它轉(zhuǎn)向下降段時(shí)，在較強(qiáng)的慣性作用下，水流會(huì)偏向流道的外側(cè)。這個(gè)時(shí)候流道的內(nèi)側(cè)會(huì)出現(xiàn)范圍比較大的脫流，而且隨著下降段越來(lái)越陡，其現(xiàn)象就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，最終使得流道出口段產(chǎn)生體積不小的旋渦。垂直方向上的旋渦會(huì)呈現(xiàn)以流道中心為圓心的強(qiáng)弱分布，圓心處最強(qiáng)，而流道邊壁處很弱。而在水平方向上，則沒(méi)有脫流的現(xiàn)象或者尺度比較大的旋渦。把計(jì)算流量無(wú)論是減少還是增加20%，都會(huì)出現(xiàn)流量越大，旋渦強(qiáng)度和影響范圍也越大的情況。而在這個(gè)過(guò)程中，出水流道的基本流態(tài)卻沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性變化，如圖1示。

2.2 直管式

直管式出水流道已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多種泵站中，其斷流方法一般為液壓控制的快速閘門(mén)以及拍門(mén)。直管式出水流道形狀比較簡(jiǎn)單，在施工的過(guò)程中還具有比較便利的特點(diǎn)。而且節(jié)省了土建投資，運(yùn)行比較穩(wěn)定，啟功的揚(yáng)程也比較低，如圖2示。

直管式出水流道相接于水泵出口60°的彎管，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫?，在立面與平面兩個(gè)方向上越來(lái)越大，流道內(nèi)的平均流速卻越來(lái)越小。直管式出水流道的流態(tài)一般是平順的，水流只在進(jìn)入出水池后才會(huì)突然擴(kuò)散。所以，出水池底部會(huì)有一個(gè)影響區(qū)域很大卻并不強(qiáng)烈的旋渦，會(huì)對(duì)流道內(nèi)的流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，流道底部靠近出口的地方會(huì)存在滯水區(qū)域。其出口斷面還沒(méi)出現(xiàn)負(fù)流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均勻，但比虹吸式流道要好。不過(guò)尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒(méi)有出現(xiàn)在流道平面的方向上。在設(shè)計(jì)流量的前提下，將計(jì)算流量減少或者增加20%時(shí)，也不會(huì)對(duì)流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.3 斜式

按照水平線與水泵軸線之間的夾角以及對(duì)各種水泵裝置揚(yáng)程的適應(yīng)性，可以將斜式出水流道分為15 °、30 °和45 °三種型式，通常會(huì)和斜式軸伸泵裝置進(jìn)行配套使用。斜式軸伸泵裝置早在20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始就在國(guó)內(nèi)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用，通常水流比較平順，轉(zhuǎn)彎角度不大，在低揚(yáng)程大型泵站中會(huì)比較常見(jiàn)這種出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵導(dǎo)葉出口，其流道形態(tài)和直管式的差不多，其斷面以圓形漸漸變?yōu)榉叫危诹⒚媾c平面兩個(gè)方向上越來(lái)越大，如圖3示。

其流態(tài)很平順，出水池里面的流態(tài)和直管式比較像。當(dāng)水流在進(jìn)入出水池之后擴(kuò)散，會(huì)在其底部形成立面旋渦。事實(shí)上，三種型式的斜式出水流道的旋渦都會(huì)以不同的程度延伸到流道的內(nèi)部，對(duì)其流道出口周?chē)牧鲬B(tài)產(chǎn)生影響。在15 °斜式流道出口處，會(huì)有負(fù)流速產(chǎn)生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均勻，其程度處于上面兩種出水流道之間。尺度較大的漩渦或者脫流現(xiàn)象卻并沒(méi)有出現(xiàn)在斜式流道平面的方向上。在設(shè)計(jì)流量的前提下，將計(jì)算流量減少或者增加20%時(shí)，也不會(huì)對(duì)流道內(nèi)的基本流態(tài)產(chǎn)生任何影響。

2.4 箱涵式

出水流道基本流態(tài)常見(jiàn)的都是上述三種，而箱涵式出水流道一般應(yīng)用于特低揚(yáng)泵站中，斷流的方式為快速閘門(mén)。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道長(zhǎng)度、寬度、高度和后壁型線形狀以及后壁距。其中，在高度方面可分為根據(jù)類似工程確定的喇叭口到出水流道的頂板之間的懸空高度、根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)而確定的喇叭管伸入其流道時(shí)的高度。其長(zhǎng)度會(huì)在對(duì)工作橋和泵房進(jìn)行布置時(shí)而確定，出水流道的寬度會(huì)和進(jìn)水流道的寬度一樣，如圖4示。

3 泵站出水流道基本流態(tài)初步計(jì)算分析

泵站出水流道的內(nèi)部流場(chǎng)相關(guān)數(shù)值模擬的控制方程為動(dòng)量方程和連續(xù)方程、k-ε模型的k方程與ε方程。而出水流道流動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型邊界條件的內(nèi)容包括進(jìn)口邊界、出口邊界、固壁邊界以及自由表面。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口會(huì)設(shè)置在水泵后面流動(dòng)非常充分的導(dǎo)葉出口斷面處。按照設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)葉出口環(huán)量非常小。所以出水流道的流場(chǎng)進(jìn)口邊界條件為進(jìn)口流速與流場(chǎng)進(jìn)口斷面相垂直。而計(jì)算流場(chǎng)的出口會(huì)設(shè)置在與流道出口有一段距離的出水池里，其出口邊界條件和靜水壓力分布給出的條件差不多。

4 泵站出水流道實(shí)驗(yàn)研究

在對(duì)泵站出水流道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，以低揚(yáng)程立式軸流泵為例。出水流道對(duì)于立式軸流泵來(lái)說(shuō)，其作用是使得水流轉(zhuǎn)向有序以及擴(kuò)散平緩，使得流道盡量不會(huì)發(fā)生旋渦、脫流等現(xiàn)象，而且在流道的水力損失盡可能小的情況下盡量將水流的動(dòng)能多點(diǎn)回收。在大型立式軸流泵中，通常會(huì)與虹吸式與直管式兩種型式的出水流道進(jìn)行配套使用。要確保其水泵裝置具備最好的能量性能，就要具備理想的出水流態(tài)。而理想的出水流態(tài)能夠?qū)Φ蛽P(yáng)程站的效率產(chǎn)生十分大的影響。出水流道的最基本屬性就是出水流態(tài)，它能夠完全決定流道水力性能。因此，低揚(yáng)程立式軸流泵在選擇出水流道形式時(shí)，可以結(jié)合數(shù)據(jù)模擬與模型試驗(yàn)準(zhǔn)確分析與評(píng)價(jià)各種出水流道的基本流態(tài)。

4.1 虹吸式出水流道三維流場(chǎng)

將虹吸式出水流道進(jìn)行優(yōu)化之后，再對(duì)其進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場(chǎng)示意圖，如圖5～6示。

由圖5、圖6可知，流道進(jìn)口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進(jìn)入流道。隨著虹吸式出水流道寬度正在不斷擴(kuò)大，雖然上升段的各斷面高度不斷減小，但是其流速卻在不斷減小。水流的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)向角度都比較平緩，沒(méi)有發(fā)生脫流的現(xiàn)象。由于環(huán)量與水流慣性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右兩邊的流場(chǎng)并沒(méi)有具備對(duì)稱性。從水流順?lè)较蛴^察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時(shí)有范圍不大、強(qiáng)度也有些弱的局部旋渦出現(xiàn)在流道右下側(cè)的下方區(qū)域立面方向上。

4.2 直管式出水流道三維流場(chǎng)

將直管式出水流道進(jìn)行優(yōu)化之后，再對(duì)其進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到其流道主要截面以及表面流場(chǎng)示意圖。

由圖可知，流道進(jìn)口的水流存在一定環(huán)量，而且以螺旋的形狀進(jìn)入流道。直管式出水流道轉(zhuǎn)向?yàn)?0 °時(shí)，其轉(zhuǎn)彎的半徑很小，再加上環(huán)量與水流慣性的存在，使得直管式出水流道在轉(zhuǎn)向90 °之后，其流道的下降段位于左右兩邊的流場(chǎng)并沒(méi)有具備對(duì)稱性。從水流順?lè)较蛴^察，可以看到主流偏向左側(cè)上部，同時(shí)有范圍不大旋渦出現(xiàn)在流道下降段右下側(cè)的下方區(qū)域里。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著泵站出水流道的流動(dòng)形態(tài)日益受到關(guān)注，對(duì)泵站出水流道基本流態(tài)的研究勢(shì)在必行。而數(shù)值模擬的方法有利于將其流動(dòng)形態(tài)揭示出來(lái)，同時(shí)也能夠?yàn)楸谜境鏊鞯捞峁┧υO(shè)計(jì)的改進(jìn)方法。泵站出水流道出口的斷面周?chē)加辛⒚娣较蛏系男郎u，能夠影響其流速的分布。因此，還需要更加深入研究泵站出水流道。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸林廣，劉麗君，劉軍.泵站出水流道基本流態(tài)分析[J].水利學(xué)報(bào)，2000（3）：45-46.

[2] 陸林廣，陳阿萍，黃金軍，等.低揚(yáng)程立式軸流泵出水流道基本流態(tài)及水力性能的比較[J].南腔北調(diào)與水利科技，2007（4）：79-80.endprint