徐 磊，夏 斌，施 偉，劉 軍，顏士開，陸林廣

中隔墩長度對斜式軸伸泵裝置出水流道水力特性的影響

徐 磊1，夏 斌1，施 偉2，劉 軍2，顏士開1，陸林廣1

（1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，南京 210019）

為研究大型低揚(yáng)程泵站斜式出水流道水力特性，采用數(shù)值模擬方法對某斜20°軸伸泵裝置三維湍流流場進(jìn)行了數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)斜式出水流道內(nèi)存在嚴(yán)重的偏流問題，基于4種計算方案的數(shù)值模擬結(jié)果分析了偏流的成因，在研究了中隔墩長度對斜式出水流道流態(tài)和水頭損失影響的基礎(chǔ)上提出了解決偏流的措施，并得到模型試驗的驗證。研究結(jié)果表明：順?biāo)鞣较蚩矗懈舳臻L度為14 m時的斜式出水流道內(nèi)的主流明顯偏于左側(cè)，在流道右側(cè)下部存在較大范圍的旋渦區(qū)；導(dǎo)葉體出口具有較大周向速度分量的水流呈螺旋狀進(jìn)入“S”形彎曲的斜式出水流道，兩者相互作用導(dǎo)致斜式出水流道產(chǎn)生偏流；隨著中隔墩長度的增加，斜式出水流道左右孔的偏流系數(shù)逐漸減小、流道水頭損失呈先減小再增大趨勢，當(dāng)中隔墩加長至23.35 m時出水流道左右兩側(cè)的出流流量達(dá)到基本相等；采用長中隔墩斜式出水流道的泵裝置模型試驗最優(yōu)工況點效率達(dá)到80.56%，泵裝置模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，取得了預(yù)期的糾偏效果，得到有關(guān)工程設(shè)計院的認(rèn)可，并應(yīng)用于工程實際。

泵；數(shù)值模擬；流場；斜式軸伸泵裝置；出水流道；中隔墩

0 引 言

低揚(yáng)程泵站在水資源調(diào)配、城市排澇、水環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。斜式軸伸泵裝置是大型低揚(yáng)程泵站的主要泵裝置型式之一，在上海、浙江和廣東等地的一些已投入運(yùn)行或在建的大型泵站中得到應(yīng)用[1-3]。

出水流道是斜式軸伸泵裝置的重要組成部分，其水力性能的好壞直接影響到泵裝置運(yùn)行的可靠性和高效性。目前對斜式軸伸泵裝置及進(jìn)、出水流道水力性能方面已有一些研究：文獻(xiàn)[3-4]計算了斜15°軸流泵裝置在無水泵轉(zhuǎn)輪情況下流道的水流流動狀況與水力損失；文獻(xiàn)[5]對某排澇泵站斜式軸伸泵裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到該泵站斜30°泵裝置性能方案優(yōu)于斜20°的結(jié)論；文獻(xiàn)[6]對泵軸傾角為15°、30°和45°的斜式出水流道進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化和水力性能比較研究；文獻(xiàn)[7]根據(jù)對某斜15°出水流道三維數(shù)值計算分析結(jié)果，指出并改正了該流道的設(shè)計不當(dāng)之處；文獻(xiàn)[8]比較了泵軸傾角為15°、20°和25°的斜式出水流道水力性能；文獻(xiàn)[9]對斜式軸流泵站進(jìn)行了全流道數(shù)值模擬，提出了優(yōu)化方案，減弱了水流沖撞等不良流態(tài)；文獻(xiàn)[10-13]對泵軸傾角為15°和30°的斜式軸伸泵裝置分別進(jìn)行了模型試驗，測試泵裝置的水力性能。

已有文獻(xiàn)主要是對斜式軸伸泵裝置進(jìn)行流道水力設(shè)計和泵裝置水力性能模型試驗研究，未涉及斜式軸伸泵裝置出水流道內(nèi)偏流問題和中隔墩對出水流道流態(tài)及水力性能影響的研究。本文研究了采用斜20°軸伸泵裝置的大型低揚(yáng)程泵站A，發(fā)現(xiàn)斜式軸伸泵裝置出水流道（以下簡稱“斜式出水流道”）內(nèi)存在嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象，在分析了斜式出水流道內(nèi)產(chǎn)生偏流成因的基礎(chǔ)上，提出了采用延長中隔墩長度解決斜式出水流道偏流問題的工程措施，研究了中隔墩長度對斜式出水流道水力特性的影響，并對研究成果進(jìn)行了泵裝置模型試驗檢驗。

1 斜式軸伸泵裝置基本參數(shù)

大型低揚(yáng)程泵站A擬采用斜20°軸伸泵裝置，單泵設(shè)計流量=50 m3/s，所采用水泵模型為TJ04-ZL-20，水泵葉輪直徑0=3.65 m，水泵轉(zhuǎn)速=107 r/min。泵站A斜式軸伸泵裝置的單線圖如圖1所示，其流道主要控制尺寸為：進(jìn)水流道檢修閘門門槽中心線至水泵葉輪中心線的距離為15 m，出水流道工作閘門門槽中心線至水泵葉輪中心線的距離為26 m，進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的寬度和高度分別為9.6和5.6 m，出水流道出口斷面的寬度和高度分別為9.6和5.5 m；考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和閘門布置的需要，在出水流道出口中部設(shè)長度為14 m、厚度為1.4 m的中隔墩，中隔墩將斜式出水流道分為左、右2孔。

注：圖中尺寸單位為mm。Φ為直徑。

2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計算方法

2.1 控制方程

斜式軸伸泵裝置內(nèi)部為三維不可壓縮粘性湍流流動，控制方程采用了連續(xù)性方程與Navier-Stokes方程（N-S方程）[14-16]。應(yīng)用Fluent軟件求解方程組，選擇Standard-湍流模型使控制方程組封閉[17-18]，應(yīng)用SIMPLEC算法進(jìn)行流場計算的壓力和速度耦合。經(jīng)大量試驗數(shù)據(jù)驗證，Standard-湍流模型和SIMPLEC算法在水力機(jī)械流場數(shù)值計算中展現(xiàn)了較好的適用性[19-22]。

2.2 邊界條件

斜式軸伸泵裝置三維湍流流場計算的進(jìn)口邊界設(shè)置在前池中，本文計算未考慮泵站的不對稱運(yùn)行，故前池流動按無橫向流速處理；進(jìn)口邊界為一垂直斷面且距進(jìn)水流道進(jìn)口斷面有足夠遠(yuǎn)的距離，該斷面上的流速可認(rèn)為是均勻分布，采用速度進(jìn)口邊界條件，流速由泵裝置設(shè)計流量和進(jìn)口邊界斷面面積計算。泵裝置流場計算的出口邊界設(shè)置在出水池中，該斷面為一垂直斷面且距離出水流道出口斷面足夠遠(yuǎn)，以保證該斷面處的水流流動充分發(fā)展，采用自由出流邊界條件。泵裝置中的前池底壁、進(jìn)水流道邊壁、葉輪室邊壁、導(dǎo)葉體邊壁、出水流道邊壁和出水池底壁等均為固壁，采用固壁函數(shù)進(jìn)行處理[23]。水泵葉輪及輪轂為旋轉(zhuǎn)壁面，其旋轉(zhuǎn)方向和速度與原型水泵工作參數(shù)一致。泵站前池和出水池表面不計大氣層的熱交換，忽略外界流動造成的相關(guān)力影響，相關(guān)矢量可視為對稱平面處理[23]。

2.3 計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分

斜式軸伸泵裝置三維流場數(shù)值模擬的計算區(qū)域包括前池、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、出水流道和出水池等6個部分（圖2）。斜式軸伸泵裝置中的泵段及進(jìn)、出水流道的三維形體及水流流動復(fù)雜，采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分；前池和出水池的三維形體及水流流動簡單，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分情況見圖2。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，斜式軸伸泵裝置三維流場計算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為348萬。

圖2 泵裝置流場計算區(qū)域及網(wǎng)格圖

3 斜式軸伸泵裝置出水流道的偏流現(xiàn)象

對泵站A斜式軸伸泵裝置行了三維湍流流動數(shù)值計算，得到設(shè)計流量時的泵裝置流場圖（圖3）?？梢钥闯觯盒笔竭M(jìn)水流道內(nèi)的水流收縮均勻、流速變化平緩，流道出口水流的流速分布均勻且基本垂直于出口斷面，為水泵葉輪運(yùn)行提供較為理想的進(jìn)水流態(tài)；經(jīng)水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)作用，水泵葉輪出口水流具有較大的周向速度分量[24]，水流以較大的切向速度進(jìn)入導(dǎo)葉體；經(jīng)水泵導(dǎo)葉體對水流方向的調(diào)整，消減了部分周向速度分量，但導(dǎo)葉體出口水流仍有較大周向速度分量，據(jù)初步研究結(jié)果，導(dǎo)葉體出口水流的周向速度分量約為導(dǎo)葉體進(jìn)口的1/3[25]；受導(dǎo)葉體出口水流周向速度分量的影響，水流以螺旋狀進(jìn)入斜式出水流道；由于斜式出水流道呈“S”形彎曲，水流進(jìn)入流道后經(jīng)歷了先向上、后向下、再向上的連續(xù)轉(zhuǎn)向的運(yùn)動，受水流流動慣性的作用在流道下部產(chǎn)生旋渦（圖4）；在水流旋轉(zhuǎn)和流道彎曲的共同作用下，順?biāo)鞣较蚩矗鏊鞯纼?nèi)的主流偏于流道左側(cè)，同時在出水流道直線段出口右側(cè)下部出現(xiàn)了較大范圍的旋渦區(qū)。

圖3 斜式軸伸泵裝置流場圖

圖4 斜式出水流道內(nèi)旋渦產(chǎn)生的示意圖

圖5所示為斜式出水流道上、中、下3個橫向剖面的流場。可以看到受導(dǎo)葉體出口水流周向速度分量的影響，在出水流道進(jìn)口處，上橫剖面水流流向偏左，下橫剖面水流流向偏右，中橫剖面水流無偏向；上橫剖面流道左右側(cè)均無旋渦，水流流動較為平順；中橫剖面流道左側(cè)水流平順，流道右側(cè)中部存在局部旋渦區(qū)；下橫剖面流道右側(cè)存在較大范圍的旋渦區(qū)；3個橫剖面左側(cè)水流平均流速均高于右孔。由此可見，斜式出水流道內(nèi)的右下側(cè)區(qū)域存在較大范圍的旋渦區(qū)，主流明顯偏于流道左側(cè)。

圖5 出水流道橫向剖面流場圖

為了定量表達(dá)斜式出水流道偏流的程度，本文引入了出水流道偏流系數(shù)：

式中Q、Q分別為出水流道左右2孔的出流量，L/s。

當(dāng)>1時，表示出水流道左孔的出流量大于右孔；當(dāng)<1時，表示出水流道左孔的出流量小于右孔；當(dāng)=1時，表示出水流道左、右2孔出流量相等。根據(jù)斜式軸伸泵裝置出水流道三維流場數(shù)值模擬結(jié)果，該流道主流偏于流道左側(cè)，偏流系數(shù)＝2.738，左孔出流量明顯大于右孔。

上述斜式出水流道流場數(shù)值模擬結(jié)果在某泵站實際運(yùn)行中得到證實。大型低揚(yáng)程泵站B采用斜式軸伸泵裝置，該站在本文研究過程中建成并進(jìn)行了試運(yùn)行。在試運(yùn)行中觀察到如下現(xiàn)象：該站出水流道左側(cè)水面的波動較為劇烈，并且伴有較大的拍門撞擊聲，而出水流道右側(cè)水面則較為平靜，且聽不到拍門撞擊聲。這個現(xiàn)象說明大部分流量主要集中于左孔流出，表明斜式出水流道內(nèi)確實存在主流左偏的問題。

4 斜式軸伸泵裝置出水流道偏流現(xiàn)象的成因分析

經(jīng)初步分析，斜式出水流道內(nèi)的偏流現(xiàn)象主要受到2個因素的影響：一是導(dǎo)葉體出口水流具有較大周向速度分量；二是斜式出水流道的三維形體呈“S”形彎曲。具有旋轉(zhuǎn)的水流進(jìn)入“S”形彎曲的斜式出水流道，兩者相互作用，導(dǎo)致流道內(nèi)偏流現(xiàn)象的發(fā)生。

為了證實斜式出水流道產(chǎn)生偏流現(xiàn)象的成因，本文設(shè)計了4個計算方案：1）有旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入平直型出水流道；2）有旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入“S”形彎曲出水流道；3）無旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入平直型出水流道；4）無旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)入“S”形彎曲出水流道?！癝”形彎曲出水流道的幾何體型特征是先向上、后向下、再向上的連續(xù)轉(zhuǎn)彎（圖6），流道彎曲的原因是為了滿足泵軸穿過出水流道的要求；這種出水流道主要用于斜式軸伸泵裝置、臥式后軸伸泵裝置。平直型出水流道的幾何體型特征是順直不彎曲（圖7a），常用于前置豎井式貫流泵裝置、前置燈泡式貫流泵裝置和臥式前軸伸泵裝置。

為了排除其它因素的影響，本文將出水流道從泵裝置中分離出來進(jìn)行三維湍流流動數(shù)值模擬[26]，其計算區(qū)域包括進(jìn)水直管、出水流道和出水池等3個部分（圖6）。進(jìn)水直管進(jìn)口斷面處采用速度進(jìn)口邊界條件，同時在此處設(shè)置一定旋轉(zhuǎn)速度；若為無旋轉(zhuǎn)水流，則水流旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為0；出水池出口斷面處水流充分發(fā)展，采用自由出流邊界條件；進(jìn)水直管邊壁、流道邊壁和出水池底壁等均按固壁定律進(jìn)行處理；出水池的表面為自由水面，不計大氣交換和忽略外界流動造成的相關(guān)力影響，可視為對稱平面處理[18]。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對出水流道進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對進(jìn)水直管段和出水池進(jìn)行網(wǎng)格剖分。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，計算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為102萬即可滿足要求。出水流道計算區(qū)域及其網(wǎng)格剖分情況示于圖6。

圖6 出水流道流場計算區(qū)域及網(wǎng)格圖

采用三維湍流流動數(shù)值模擬方法計算得到的4個計算方案設(shè)計流量時的出水流道流場圖（圖7）。可以看到，流道進(jìn)口水流無旋轉(zhuǎn)時（圖7a、7b），平直型出水流道和“S”形彎曲出水流道內(nèi)未出現(xiàn)偏流現(xiàn)象；流道進(jìn)口水流有旋轉(zhuǎn)時（圖7c、7d），水流呈螺旋狀流入出水流道，平直型出水流道內(nèi)無偏流現(xiàn)象，而“S”形彎曲出水流道內(nèi)的主流明顯偏于流道左側(cè)，同時在流道右側(cè)下部區(qū)域出現(xiàn)較大范圍的旋渦區(qū)。

圖7 4種出水流道計算方案的流場

由上述結(jié)果可知，對于平直型出水流道，無論是流道進(jìn)口水流是否旋轉(zhuǎn)，流道內(nèi)均未出現(xiàn)偏流；對于“S”形彎曲出水流道，當(dāng)流道進(jìn)口水流無旋轉(zhuǎn)時流道內(nèi)無偏流，而當(dāng)流道進(jìn)口水流有旋轉(zhuǎn)時則出現(xiàn)明顯偏流。由此可以得出，流道進(jìn)口水流旋轉(zhuǎn)和出水流道為“S”形彎曲是斜式出水流道產(chǎn)生偏流的2個必要條件，偏流是這兩者相互作用的結(jié)果。

5　不同中隔墩長度時斜式出水流道水力性能

在對斜式出水流道三維流場的研究中發(fā)現(xiàn)，加長中隔墩長度可以改善出水流道內(nèi)的流態(tài)、減小出水流道內(nèi)水流的偏流程度。所以，為了抑制流道進(jìn)口水流的旋轉(zhuǎn)對斜式出水流道流場的不良影響，本文提出采用加長中隔墩長度的措施解決斜式出水流道的偏流問題。

大型低揚(yáng)程泵站A的斜式出水流道出口斷面的寬度為9.6 m，流道出口處布置了工作閘門和事故閘門。為減小單扇閘門的寬度，該站在出水流道閘門段中間設(shè)置了長度為14 m的中隔墩（圖1）。在此中隔墩基礎(chǔ)上逐漸增加長度，形成了7個不同中隔墩長度方案的斜式出水流道，其流道單線圖見圖8。7個方案的中隔墩長度列于表1。

圖8 不同中隔墩長度的斜式出水流道單線圖

對泵站A斜式出水流道7個方案設(shè)計流量時的三維流場分別進(jìn)行了數(shù)值計算，計算得到各方案的偏流系數(shù)和流道水頭損失列于表1。可以看到：中隔墩長度對偏流系數(shù)的影響非常顯著，對出水流道的水頭損失也有較大影響，流道水頭損失隨中墩長度增加先減小再增大；中隔墩長度小于22 m時，偏流系數(shù)隨著中隔墩長度的增加下降很明顯；當(dāng)中隔墩長度達(dá)到23 m時，偏流系數(shù)的變化變緩并接近于1，表明出水流道左孔與右孔的出流流量基本相等；若繼續(xù)增加中隔墩長度，則偏流系數(shù)<1，表明出水流道左孔的出流量小于右孔，主流偏于流道右孔（圖9d）?？梢?，通過優(yōu)化中隔墩長度可以在較大程度上改善斜式出水流道內(nèi)的流態(tài)，使左、右2孔的出流流量基本相等。

表1 斜式出水流道7個方案偏流系數(shù)和水頭損失的比較

不同中隔墩長度的出水流道流場見圖9。

圖9 不同中隔墩長度的出水流道流場

可以看到中隔墩長度對斜式出水流道內(nèi)的流態(tài)有較為顯著的影響：中隔墩長度為14 m時，偏流系數(shù)為2.738，斜式出水流道內(nèi)偏流嚴(yán)重，主流明顯偏于流道左側(cè)，在流道直線段右側(cè)下部產(chǎn)生大范圍旋渦區(qū)，旋渦區(qū)的高度約為流道立面高度的3/4；隨著中隔墩長度的增加，流道內(nèi)旋渦區(qū)的范圍緩慢減小、偏流問題逐漸改善，當(dāng)中隔墩長度增加至20 m時，偏流系數(shù)為2.087，流道右孔旋渦區(qū)的立面高度降低至約為立面高度的2/3；隨著中隔墩長度的進(jìn)一步增加，流道右側(cè)下部旋渦區(qū)的范圍逐漸減小，但在流道左孔上部產(chǎn)生了一定范圍的旋渦區(qū)；當(dāng)中隔墩長度增加至23.35 m時，偏流系數(shù)為0.992，流道右孔旋渦區(qū)的立面高度降低至約為流道立面高度的1/2，流道左孔上部出現(xiàn)旋渦區(qū)，2個旋渦區(qū)范圍較為接近；當(dāng)中隔墩長度繼續(xù)增加時，出水流道左孔旋渦區(qū)范圍逐漸增大，右孔旋渦區(qū)范圍逐漸減小，主流逐漸偏右；當(dāng)中隔墩長度增加至26.48 m時，偏流系數(shù)為0.945，流道右孔內(nèi)旋渦基本消失，水流流動較為平順，水流主流偏于流道右孔。

根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行了充分論證，中墩方案5出水流道的偏流系數(shù)接近于1，左右2孔出流量基本相等，解決了出水流道內(nèi)的偏流問題。

6 泵裝置模型試驗結(jié)果及分析

泵站A采用了中隔墩方案5并進(jìn)行了泵裝置模型試驗。泵站A斜式軸伸泵裝置模型試驗于2018年在中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司水力模型通用試驗臺進(jìn)行[27]。該試驗臺為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，試驗臺精度高、穩(wěn)定性好，效率綜合不確定度誤差優(yōu)于±0.3%，隨機(jī)誤差優(yōu)于±0.1%[28]。泵裝置模型試驗的水泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，模型泵葉輪直徑為300 mm，試驗內(nèi)容及方法按《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)范》（SL140-2006）[29]執(zhí)行。試驗得到的該站泵裝置（方案5）模型綜合性能曲線（圖10）?？梢钥吹?，采用長中隔墩出水流道的斜式軸伸泵裝置水力性能優(yōu)異，最優(yōu)工況點的效率達(dá)到80.56%。

圖10 泵裝置（方案5）模型綜合性能曲線

采用三維湍流流動數(shù)值模擬方法對斜式泵裝置（方案5）葉片角度為?2°時的能量性能進(jìn)行了計算，并將計算結(jié)果與泵裝置模型試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖11所示?？梢钥闯觯醚b置數(shù)值模擬的流量-揚(yáng)程曲線、流量-效率曲線與模型試驗結(jié)果的整體變化趨勢基本一致，數(shù)值計算的揚(yáng)程略高于模型試驗；泵裝置模型試驗最優(yōu)工況點處的揚(yáng)程誤差為3.2%、泵裝置效率誤差為2.2%。故采用本文的數(shù)值模擬方法對斜式軸伸泵裝置出水流道水力性能的研究是可靠的。

圖11 數(shù)值計算與模型試驗結(jié)果比較

在泵裝置模型試驗中，對斜式出水流道方案5出口左、右兩側(cè)的水流進(jìn)行水壓脈動測試，測點位置如圖12所示。

由試驗得到的各葉片角度的壓力脈動試驗曲線示于圖13?？梢钥闯觯撼鏊鞯莱隹谧?、右兩側(cè)的壓力值十分接近，且各葉片角度流道左、右兩側(cè)壓力值的變化趨勢也基本一致，說明流道出口左、右兩側(cè)流量和流速基本相同。若斜式出水流道內(nèi)存在偏流，則其左、右2孔的流量及流速必然出現(xiàn)明顯差別，根據(jù)伯努利方程，流道左、右兩側(cè)的壓力也應(yīng)出現(xiàn)明顯差別；反之，若流道內(nèi)無偏流，則兩側(cè)的壓力應(yīng)基本相同。

圖13 泵裝置出水流道（方案5）左右側(cè)測點壓力脈動試驗曲線

7 結(jié) 論

1）斜式軸伸泵裝置采用14m長度中隔墩的出水流道內(nèi)存在嚴(yán)重的偏流問題，順?biāo)鞣较蚩?，水流主流偏于流道左?cè)，在流道右側(cè)下部存在較大范圍旋渦區(qū)，流道左孔出流流量明顯大于右孔。

2）斜式出水流道內(nèi)產(chǎn)生的偏流是導(dǎo)葉體出口水流較大的周向速度分量與“S”形彎曲的斜式出水流道相互作用所導(dǎo)致的一種流動現(xiàn)象。

3）加大中隔墩長度可以有效改善斜式出水流道內(nèi)的流態(tài)，當(dāng)中隔墩長度增加為23.35m時，可使出水流道左、右2孔的出流流量達(dá)到基本相等。

4）中隔墩長度為23.35 m斜式出水流道的泵裝置模型試驗結(jié)果與本文數(shù)值模擬研究結(jié)果一致，泵裝置最優(yōu)工況點的效率達(dá)到80.56%。

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Influence of middle pier lengths on hydraulic characteristic of outlet conduit in pump system with slanted extension shaft

Xu Lei1, Xia Bin1, Shi Wei2, Liu Jun2, Yan Shikai1, Lu Linguang1

(1.,,225009; 2.--.,,210019,)

Pump system with slanted extension shaft is one of the main pump systems in large low head pump station. In order to improve the flow pattern in the slanted outlet conduit and increase hydraulic performance of pump system, the three dimension turbulent flow field was calculated for the pump system with 20° shaft extension in a large low head pump station based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and standard-turbulent model. By the method of numerical simulation, flow fields in outlet conduits were analyzed and compared for 4 kinds of calculation schemes which were straight outlet conduit without rotation, S-shaped curve outlet conduit without rotation, straight outlet conduit with rotation and S-shaped curve outlet conduit with rotation. Based on the analyses, the cause of serious bias flow in the slanted outlet conduit was analyzed. According to the influence of length of middle pier on the bias coefficient and hydraulic loss of the slanted outlet conduit, the method of solving the bias flow problem was put forward, and the fittest middle pier length was chosen, and the hydraulic performance of the pump system was tested. The research results showed that there was serious bias flow in slanted outlet conduit when the length of middle pier was 14 m. Looking from the direction of downstream flow, the main flow was obviously skewed to the left side of the slanted outlet conduit, while a large range of vortex area appeared in the lower right part of the outlet conduit, and the discharge of the left hole was obviously than that of the right hole. There was no bias flow in the straight and the S-shaped curved outlet conduits when the flow at the conduit inlet with no rotation. There was no bias flow in the straight outlet conduit while there was obviously bias flow in the S-shaped curved outlet conduit when the flow at the conduit inlet with rotation. Therefore, the flow with larger residual circumferential velocity component at the guide vane outlet enters into the S-shaped curved outlet conduit in a spiral shape was the cause of serious bias flow in the slanted outlet conduit. The results also showed that the middle pier length had a significant influence on bias coefficient and hydraulic loss of the slanted outlet conduit. When the middle pier length was 14 m, the conduit bias coefficient and hydraulic loss were large. Along with the middle pier length increased, the conduit hydraulic loss decreased firstly and then increased, the conduit bias coefficient decreased gradually. When the middle pier length was 23.35 m, the conduit bias coefficient was smaller than 1, the discharge of right side was bigger than that of left side in the outlet conduit, the main flow was skewed to the right hole. The discharge from the left and right sides of the outlet conduit is basically equal when the middle pier was lengthened to an appropriate value. The slanted outlet conduit scheme with proper extension of the middle pier length had been verified by the model test of the pump system. The efficiency of optimal operation point for the pump system with slanted extension shaft reached 80.56%, the model test results were basically the same with the numerical simulation results. The pressure values on the left and right sides were very close at corresponding time and the pressure variation trends were basically the same. These model test results indicated that the flow pattern of left and right sides were nearly the same and the expected rectification effect was achieved. The slanted outlet conduit scheme whose middle pier length was 23.35 m had been recognized by the relevant engineering design institute and applied to the engineering practice.

pump; numerical simulation; flow filed; pump system with slanted extension shaft; outlet conduit; middle pier

徐 磊，夏 斌，施 偉，劉 軍，顏士開，陸林廣. 中隔墩長度對斜式軸伸泵裝置出水流道水力特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(1)：74－81.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.009 http://www.tcsae.org

Xu Lei, Xia Bin, Shi Wei, Liu Jun, Yan Shikai, Lu Linguang. Influence of middle pier lengths on hydraulic characteristic of outlet conduit in pump system with slanted extension shaft[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 74－81. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.009 http://www.tcsae.org

2019-06-27

2019-10-24

國家自然科學(xué)基金（51309200, 51779215）；中國博士后科學(xué)基金（2013M540469）；江蘇省博士后科研基金（1301021A）

徐 磊，博士，副教授，主要從事泵站工程方面的研究。Email：xulei1017@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.009

TV131

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1002-6819(2020)-01-0074-08