王芃也++刘超++徐磊++许健

摘要：虹吸式出水流道是大型泵站出水流道的主要形式之一，由于实际工程地形条件的限制，南水北调东线水源工程江都一站所采用的虹吸出水流道在工程设计中并不常见。针对江都一站泵装置模型虹吸出水流道，通过CFX软件对该泵装置全流道进行数值模拟，研究虹吸出水流道内部水流的运动特性、预测水力性能。计算结果表明管路水头损失主要来自于弯管段的水头损失，从出水流道进口至出水流道出口涡量呈现下降趋势，但是在出水流道出口，由于截面面积过大导致出口截面速度分布不均且引起了涡量的增加。对该泵装置进行外特性预测得到的结果与试验数据的整体趋势基本一致，表明计算结果真实可信。

关键词：泵装置模型；虹吸流道；数值模拟；水力特性；涡量

中图分类号：TV131.4文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06012807

Simulation analysis of the pump device model hydraulic performance of siphon discharge conduit

WANG Pengye，LIU Chao，XU Lei，XU Jian

（School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China）

Abstract：Siphon outlet conduit is one of the main forms of outlet conduit of large pumping station.Due to the limitation of actual engineering topographic features，the siphon outlet conduit adopted by the SouthtoNorth Water Diversion Project--Jiangdu NO.1 pumping station is not common in engineering design.According to the siphon discharge conduit in Jiangdu NO.1 pumping station，numerical simulation of the whole flow passage was conducted by CFX，the internal water flow movement characteristics of the siphon outlet conduit were studied and the hydraulic performance was predicted.The results showed that the lower head loss mainly came from the head loss of bending section.In outlet passage，vorticity showed a downward trend，but the cross section area was too large to cause the uneven distribution of the velocity of the outlet section and increase of the vorticity.External characteristics of the pump device prediction results were consistent with the test data of the overall trend，demonstrating that the calculation results were reliable.

Key words：pump device model；siphon discharge conduit；numerical simulation；hydraulic performance；vorticity

[JP2]我国大型泵站的出水流道形式主要有虹吸式和直管式两种类型，其中虹吸式出水流道是一种最为常见的类型[1]。[HJ1.95mm]采用虹吸式出水流道其最主要的优点是停机断流方便可靠，即在停机的同时打开安装在驼峰附近的真空破坏阀，利用流道内外的压力差放入空气，从而切断水流[2]，同时也便于管理，所以很多泵站都采用了虹吸式出水流道。我国建设的第一座大型抽水站——南水北调东线水源工程江都一站在工程设计过程中，为了更好的适应工程结构紧凑的特点选用了整体底板虹吸出水，是典型的虹吸式流道[3]。这种站身结构在纵向长度较小，泵房整体性好，投资省。

随着计算机技术的发展，我国在泵站数值模拟方面的研究也越来越广泛[411]。近年来，国内外学者对泵站虹吸式出水流道进行了较多的研究，朱红耕[1214]等采用计算流体动力学的方法对大型泵站虹吸式出水流道（不包含水泵）进行数值模拟计算，分析了不同工况下的流态特点及水头损失，谭淋露[1516]等对虹吸式出水流道（不包含水泵）进行数值模拟，在分析内部流态的基础上通过改变影响虹吸出水流道水力特性的重要参数对其进行水力优化，李海峰[17]等采用数值模拟的方法，模拟虹吸流道内（不包含水泵）虹吸形成的过程，分析了真空破坏阀排出的质量流量，确定合适的关阀时间。

上述研究主要是只针对虹吸式出水流道进行的数值模拟分析，不包含水泵。由于水泵出口环量较大，不包含水泵的模拟结果则不能反映出口涡量真实情况。本文通过CFX对江都一站泵装置模型包含水泵进行全模拟，着重分析虹吸出水流道内部流态、水头损失以及不同截面的涡量，为泵装置性能优化提供依据。

1几何建模及数学模型

1.1几何建模

江都一站泵装置模型主要由进水池、进水流道、叶轮及导叶、出水流道、出水池组成，其中虹吸出水流道由弯管段、上升段、驼峰段、下降段等部分构成[18]，该泵装置其模型示意图见图1。

4虹吸出水流道水力特性

4.1流线图

选取了三种不同工况的流量：小流量工况Q=240 L/s、设计工况下的流量Q=340 L/s、大流量工况Q=400 L/s在上述三种工况的情况下，出水流道流线图见图3。

观察流线图可以看出：在三种工况下，流线所反映的无质量粒子，穿过整个流体域的轨迹特点基本相同，水流刚进入出水流道时，流线最为紊乱且可能存在漩涡，在出水流道上升段水流受离心力以及惯性的共同作用，水流质点较多的聚集在管道外侧，经过驼峰段时流线出现分离现象，流线趋于平缓但仍然较为紊乱，通过下降段抵达出口处时无明显漩涡，说明水流流态经过驼峰段有着较为明显的整流作用。通过对比三种工况下的流线图发现：在小流量工况下，流线整体与设计工况下的流线相比更加紊乱，弯管段所产生的漩涡在三种工况下的流线中最为明显。在设计工况流量下，流线整体比较平顺且出口处的流线较为均匀，但是在弯管段及上升段，流线同其他两种工况一样比较紊乱。在大流量工况下，驼峰段流线与其他两种工况相比最为紊乱，但在出口处流线较为均匀。

4.2速度矢量图

[JP3]三种工况的情况下，出水流道速度矢量图见图4。

通过上述三种不同工况下绘制矢量图，发现出口截面速度分布不均且底部速度较小，在这种情况下很容易引起脱流现象，考虑到出口截面的面积达到0934 66 m2而最高效率的流量为340 L/s，其出口截面的平均流速为0364 m/s，出口流速显著偏低，可以考虑通过抬高出口底部高程从而减小出口截面的面积，一方面可以减少土方工程量，另一方面可以降低脱流现象发生的风险。

4.3典型截面的静压云图及流线图

为了研究该泵装置虹吸出水流道的内部特性，分别在该泵装置虹吸出水流道截取七个典型截面位置见图5。

11截面为出水流道进口即水泵导叶体出口截面，22截面位于出水流道弯管段，33截面为出水流道弯管段与上升段的交界面，44截面位于出水流道上升段，55截面位于出水流道驼峰段，66截面位于出水流道下降段，77截面为出水流道出口截面。

分别绘制图5所示的七个截面位置在三种工况下的静压云图以及相应截面上的流线图见图6。

观察图6所示的各图中的静压云图发现：11截面位置从整体看三种工况下的压力分布较为均匀，在外周边存在高压区，[JP2]但面积并不大。22截面位置在小流量工况下，管道外侧存在高压区；在设计工况下及大流量工况下，低压区主要存在于管道外侧。33截面位置在小流量工况下的整体压力明显高于其他两个工况且管道外侧存在大面积的高压区；在设计工况下，压力分布较为均匀；在大流量工况下，管道外侧分布着小范围的低压区。在44截面位置，由于在此位置存在不稳定的漩涡，其压力分布不够均匀，管道内侧边缘存在高压区；在设计工况下以及大流量工况下，管道外侧存在较大面积的低压区。55截面位置在小流量工况下及设计工况下，压力分布比较均匀；在大流量工况下，压力分布不均且低压区面积较大的集中在管道内侧。66截面位置在三种工况下，管道从顶部至底部压力逐步上升；在大流量工况下，管道顶部分布着较大面积的低压区。77截面位置在三种工况下压力分布较为相似，低压区集中在出口截面顶部，出口截面底部存在着大面积的高压区，主要是由于底部出口流速很小所致。

观察图6所示的各图中的流线图发现：11截面位置在小流量工况下，有明显漩涡存在且漩涡呈不规则分布；在设计工况下，[HT]该截面存在着多个分布较为规则、相较于小流量工况下的漩涡强度有所下降的漩涡；在大流量工况下，[JP2]该截面流线较为规则，无明显的漩涡存在。22截面位置在小流量工况下，管道内侧流线分布非常紊乱且存在明显的漩涡；在设计工况下及大流量工况下，管道内侧存在漩涡但漩涡范围不大、强度较小。33截面位置在小流量工况下，有一个非常明显且强度较大的漩涡存在于管道内侧；在设计工况下及大流量工况下，管道外侧有明显的漩涡存在，但范围相较于小流量工况下的漩涡明显缩小。44截面位置在小流量工况下，流线相较于其他两种工况最为规则，有一个较为明显的漩涡存在；在设计工况下，存在两个明显的漩涡；在大流量工况下，管道中心位置存在着一个较大的漩涡同时内侧还存在两个较小的漩涡。55截面位置在小流量工况下及设计工况下，流线图较为相似，在管道内侧存在着两个分布较为对称的漩涡；在大流量工况下，流线图较其他两种工况下最为紊乱且存在着三个较为明显的漩涡。66截面位置三种工况下流线分布都比较均匀，在管道外侧边缘都分布着两个较小范围的漩涡。77截面位置流线图在三种工况下较为类似，整体分布较为规则且无明显漩涡存在。

4.4水头损失计算及分析

轴流泵装置的特点是扬程低，这[HJ1.97mm]就导致流道的水头损失占装置扬程比值较大，对水泵装置效率的影响明显，所以装置的水头损失直接影响到工程的实际经济效益[19]。由于虹吸出水流道形状较为复杂，没有此类水头损失的系数数据可以使用，计算其水头损失理论难度比较大。因为其流道内部速度和压力分布不规律，难以通过实验的方法测得水头损失。本文通过数值模拟得到流速场、压力场，根据任意两个截面的流速、压力的平均值，通过伯努利方程便可以求出两个截面间的水头损失大小。

根据图5给出的截面位置，为了更清晰的研究出水流道水头损失，将出水流道水头损失的计算分为两段，即弯管段（11截面至33截面）和出水段（33截面至77截面），出水段包括上升段、驼峰段和下降段。图7为不同工况下计算出的出水流道水头损失随流量的变化曲线，出水流道总水头损失曲线（11截面至77截面）随着流量的增加，水头损失呈现出先减少后增加的趋势，通过对比图9给出的性能曲线，计算出的水头损失在流量360 L/s时最小，与最高效率时的设计工况340 L/s基本吻合。[JP+2]在偏离设计工况的小流量水头损失非常高，这将严重影响到此时泵站运行的效率。弯管段水头损失随流量的变化趋势与出水流道总水头损失随流量的变化趋势基本一致，而上升段、驼峰段、下降段的水头损失随流量增加在流量为300 L/s的工况下有所降低外，整体呈现上升趋势且变化程度不大。通过对比发现，总水头损失主要是来自于弯管段的水头损失。随着流量的增加，总水头损失中弯管段产生的水头损失占出水流道总水头损失的比例逐渐减小：小流量工况下所占比例为7889%、设计工况下所占比例为6497%、大流量工况下所占比例为5459%。要提高泵站的运行效率应尽量降低流道的水头损失，尤其是弯管段所产生的水头损失。一味地增大出口截面的面积不一定会得到很好的效果，相反过大的出口截面不但会导致工程量的增加而且可能导致流速分布不均、产生脱流等不良后果。

4.5涡量计算及分析

涡量是描写旋涡运动重要的物理量之一，[JP+1]定义为流体速度矢量的旋度，漩涡通常用涡量来量度其强度和方向，涡量对水头损失影响较大。通过计算图5所示的七个截面在小流量Q=240 L/s、设计工况下的流量Q=340 L/s以及大流量Q=400 L/s三种工况下的平均涡量见图8。对比三种工况，涡量在各个工况的整体趋势相同。在截面1的位置各工况下的涡量远远高于其他各截面，在小流量工况

下该截面的涡量最大，大流量工况下该截面的涡量最小；水流经过11截面至44截面涡量下降最为显著；在55截面、66截面、77截面位置处涡量较小。涡量呈下降趋势：其主要原因是水流经过出水流道涡动能回收所致，但在出口截面77位置，涡量小幅增加。在当时的设计过程中，通过增大出口截面面积以达到更高的效率以及更好的出水流态，但是单纯的增大出口截面的面积不一定能起到良好的效果，涡量呈现的上升趋势也验证了这一点。

5泵装置外特性预测

在对泵装置全模拟计算的基础上，对泵装置的扬程、效率随流量的变化关系进行了预测，为了验证性能预测的结果与模型试验数据[20]进行对比：图9为该泵装置在n=1 400 r/min时的预测结果与模型试验数据的对比结果。通过对比发现预测结果与模型试验数据的整体趋势基本一致，在小流量工况下预测结果比模型试验数据扬程偏小、效率偏高；在设计工况及大流量工况附近预测结果与模型试验数据基本一致，总体而言选用的计算模型能较准确地预测该泵装置外特性，表明该泵装置模型全模拟方法可信，预测结果可以较好的反应实际情况。

6结论

通过对南水北调东线水源工程江都一站泵装置模型进行全模拟，分析了虹吸出水流道内部水流的运动规律，预测了虹吸出水流道水力特性，得到了如下结论。

（1）通过计算该泵装置虹吸出水流道的水头损失，得到了随着流量的增加水头损失呈现先减少后增加的趋势。该泵装置虹吸出水流道水头损失主要来自于弯管段产生的水头损失，弯管段产生的水头损失占出水流道总水头损失的比例随着流量的增加而减小：小流量工况下所占比例为7889%、设计工况下所占比例为6497%、大流量工况下所占比例为5459%。

（2）针对该泵装置虹吸出水流道涡量的计算分析发现，涡量从出水流道进口至出水流道出口呈现下降趋势，在弯管段下降最为明显，经过驼峰段之后涡量较小，这主要得益于该泵装置虹吸出水流道涡动能的回收作用。水流经过出口断面涡量有小幅增加，主要原因可能为出口断面面积过大所致。

（3）对该泵装置进行外特性预测结果表明：预测结果与试验数据的整体趋势基本一致且在设计工况及大流量工况附近基本吻合，表明该泵装置模型全模拟的结果真实可信。

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