小底孔进流泵站进水前池水流流态及整流措施试验研究-

1、小底孔进流泵站进水前池水流流态及整流措施试验研究贺振华1,吴天奇1,赵浴材21河海大学水电院,南京(2100982豫西黄河河务局,河南洛阳(471000E-mail:hezhenhua1998摘要:本文主要介绍深圳龙口二期引水泵站进水流态的水力模型试验研究成果,文中分析了不利流态的成因,用实测资料阐述了最优整流措施下前池进水流态的变化。提出合理的小底孔进流泵站前池整流方案,消除前池不良流态,使小底孔进流泵站前池水流流态良好,水流平顺,水泵进流条件良好。关键词:小底孔进流;泵站前池;整流立柱;底坎中图分类号: TV1311.概述龙口二期引水泵站引水规模为700000m3/d,扬程57m。选用水泵

2、3台(两用一备,单泵流量4.051m3/s,总流量8.102 m3/s。水泵通过垂直布置的喇叭口从前池取水。进水前池尺寸为25m×26.92m(流向×横向,底板标高19.30m.前池内各泵间设12.5m长导流分隔墩,分隔墩厚度2.21m;前池内设2.5m高整流底坎一道;0.8m×0.8m整流立柱一根。上游来水通过引水隧洞进入前池底部,引水隧洞横断面尺寸为2.5m×2.7m。为确保泵站运行高效、安全,2007年7月通过物理模型试验对各种运行条件下进水前池的流态、流速分布进行研究,并提出必要的优化调整方案,本文介绍该小底孔进流泵站进流流态的水力模型试验研究成

3、果。2.模型设计及量测仪器2.1模型设计模型采用几何正态模型。进水前池水流主要受重力影响,故模型按照重力相似准则设计,保证模型与原型Fr数相等。采用几何比尺L=10,模型包括有效工作段以及进水系统、出水系统。模型有效工作段模拟范围包括整个泵站进水前池以及附属设施(进水喇叭口、隔墩、底坎、立柱等,引水隧洞模拟至底孔进口上游一定长度,保证有足够的延长调整段。采用3台小型泵分别编号逐一模拟各泵流量。模型布置见图1。2.2测量仪器流量采用三角堰量测,模型单泵流量逐一进行率定。模型水位采用测针量测,精度为±0.1mm。流速采用自动控制流速采集系统进行量测。模型不同水平位置处,沿垂线布置多个测点

4、,以获得流速沿垂线的分布。对于流速小于仪器启动流速的位置,可以采用施放示踪粒子,采集粒子运动图像并通过计算机对比分析获得流速数值。 对称运行时,引水隧洞来流虽然在扩散段作用下有一定程度横向分散,但主流仍较为集中,垂向扩散不明显,流向基本顺直,由于底坎高度与引水隧洞高度接近,部分来流在整流柱和底坎的共同作用下向两侧分流,在底坎和进口之间的区域内形成左右两个基本对称的立轴回流区,该回流区高度从池底直到水面,底坎高度范围内回流区强度较大,中上层回流区强度相对较小。整流柱的存在促进了水流的横向扩散。另有部分来流在受到底坎阻挡后向上抬升越过底坎流向各泵。由于越坎水流具有一定的垂向流速(向上,且主流扩散不

5、充分,仍相对集中于中部,在各泵前形成的流态各不相同。进流主流正对2号泵,由于2号泵不运行,无出流流量,水流受到胸墙的阻挡在2号泵前隔墩间形成横轴回流,上层水流流向2号泵,下层水流反向流出。底坎两侧的越坎水流逐渐扩散,绕过隔墩流向1、3号泵,该部分水流流向偏向两侧边墙。由于同时具有越坎产生的垂向流速(向上,因此1、3号泵前两隔墩间的水流具有明显的螺旋流特性,旋转流向喇叭口,同时使得该区域上层产生一定程度的回流。如图2所示 上层中层底层图2 原方案对称运行时流态3.2不对称运行时的流态不对称运行下引水隧洞口至底坎间的流态与对称运行时基本相同。越坎后的水流具有一定的垂向流速(向上,且主流扩散不充分,

6、仍相对集中于中部,两侧扩散不对称。因此造成主流正对2号泵,水流在2号泵前两隔墩间形成横轴回流,上层主流流向2号泵,下层水流反向流出。两侧水流逐步向两侧扩散。由于同时具有越坎产生的垂向流速(向上,因此在过水泵(1号泵前两分流墩间的水流具有明显的螺旋流特性,旋转流向吸水口,同时使得该区域上层产生一定程度的回流。底坎右侧的越坎水流逐渐向右扩散,在无出流泵(3号泵前区域产生一定程度的回流;由于过水断面面积及淹没深度较为充裕,水流在泵前流速相对较小。如图3所示上层中层底层图3 原方案不对称运行时流态4.整流措施研究4.1前池不良流态成因分析(1隧洞来流通过整流柱和底坎后横向和垂向扩散并不充分,主流较集中

7、于前池的中上部,主流进入运行泵的进水池后,在胸墙和吸水喇叭口的作用下形成底部回流和螺旋流。(2水流过底坎后主流在前池的中上部,主流与两侧回流间存在速度不连续的间断面,间断面一般受到不可避免地干扰失去稳定;而在水面产生微凹涡,同时不断移动变形,分裂产生紊动,其影响逐渐向内、外两侧发展,影响水面平稳1。4.2改善前池流态的整流措施泵站前池流态的整流措施研究较多,主要有导流墩、底坎、整流柱、水面梁、潜墩、压水板等。根据小底孔入流前池的水力特性采用底坎、潜墩、整流柱,并将水面梁应用为水下梁。底坎:在前池中利用底坎人为的造成坎后立面漩滚,破坏平面回流,通过坎后水流充分紊动扩散,从而获得满意的行近水流,具

8、有较好的均化水流横向分布的作用2,常用于前池扩散角较大,水流分布不均匀等流态。底坎具有结构简单,施工方便,潜没水下不影响景观等优点。但其对水深变化较为敏感,难以适应较大水位变化。试验中通过无整流措施试验,依靠水流的自然扩散自行进行调整。发现隧洞来流的主流集中于前池底部中央,调整底坎位置难以使进水前池流态得到明显改善,因此采用降低底坎高度来减小越坎水流的向上流速,减弱运行泵前下部反向流速和水流的螺旋现象。整流柱:具有调整前池进水口水流方向的作用,促使水流横向扩散。试验中由于隧洞来流集中于下部,垂向扩散不明显,因此,整流柱上部对促进来流扩散无明显作用,整流柱浸没于水下,仍能保证原有的整流效果,且在

9、视觉上比较协调。潜墩:多为短粗型(或接近桩柱型 ,潜没于水下,配合水面梁导流墩布置,有一定的辅助整流效果。水下梁:整流的工作原理与底坎相类似。具有较好的均化前池水流横向分布的作用,同潜墩和底坎共同作用也有均化前池水流垂向分布的作用,且具有良好的消涡作用3。4.3整流优化措施的水流流态经试验优化得到一柱、一坎、一梁、五墩的布置和合理体型尺寸,优化方案中由于底坎高度降低,引水隧洞来流所受阻挡减少,在整流柱和底坎的共同作用下向两侧分流的部分来流有所减少,底坎和进口之间的区域内上部形成较弱的回流区,回转方向与底部不同。中层回流区强度相对较小,整流柱降低后促进水流横向扩散的作用没有减少。底坎降低后越坎水

10、流的垂向流速较原方案减少,过坎水流受到底坎阻挡后向上抬升,流向各泵的部分来流有所增加,主流位于进水前池下部。水下梁将越坎水流分割为上下两部分,水流在垂向上的分布更为均匀,两分隔墩间的水流较为顺直,螺旋流和反向流消失,水面平稳。如下图4:上层 中层 底层图4 优化方案前池流态以前池中断面的流速分布不均匀系数µP 来考察前池流态。流速分布不均匀系数µP 定义为:mV V V i =200(1µ式中m 表示断面测点总数,V i 为各测点行进流速,V 0为断面行进平均流速,i 为断面上全部测点。原方案和优化方案在不同运行工况下前池断面的流速分布不均匀系数见表1表1 各工况

11、下的不均匀系数 不均匀系数越大就表示流态越不良,由上表中可以看出优化后前池水流流态更加均匀平顺,表明整流效果良好。5.结语(1小底孔进流泵站前池水流流态复杂,具有明显的三维特性,存在立轴回流、横轴回流以及螺旋流等多种特殊流态,但进水前池设计容积较为充裕,水流在泵前流速相对较小,各种流态对水泵吸水无明显影响,水泵进水顺畅。(2优化的修改方案对小底孔入流的前池流态有明显的改善,底部回流消失,螺旋流现象基本消除,立轴回流明显减弱,流速更加均匀。(2机组不对称运行时对流态也有较大的影响,因此泵站运行中尽量对称运行。参考文献1冯旭松. 泵站前池底坎整流及坎后流动分析. 江苏水利,1998 (1。2陈凯.

12、 深圳市北线引水工程上埔泵站取水口及前池整流措施试验研究. 中国农村水利水电2007(5。3徐辉,田家山. 大型污水泵站前池进水流态的研究. 给水排水, 1995(4。Experimental Study on the Flow Pattern and Rectification Measures in the Inflow Pumping Station Forebay with SmallBottom-holeHe Zhenhua,Wu Tianqi,Zhao YucaiHoHai University,Nanjing (210098AbstractIn this paper mainly

13、 introduces the experimental test results of the inflow patterns hydraulic model of Longkou Phrase 2 pumping station in Shenzhen. The adverse causes of flow pattern are analysed. With the experimental data on the optimal rectifier measure, changes of the inflow pattern in forebay are explained. The reasonable rectification programmes are proposed in the inflow pumping station forebay with small bottom-hole. The undesirable flow pattern in forebay are eliminated. Thus, the flow patterns in the inflow