吸水池进口结构对自由液面影响研究

　　1 前言

　　水泵吸水池作为泵站进口前的过流部分,其主要目的是将水流平顺地引至叶轮进口,为叶轮创造均匀的来流状态,从而使泵高效率稳定运行,防止发生空化和空蚀,提高泵站安全性和可靠性。对于水泵吸水池的设计最为重要的就是减少吸水池内部流动中的旋涡,因为旋涡会引发振动、汽蚀和泵效率降低,从而导致水泵性能恶化,严重时泵站将不能正常工作。而吸水池表面的波动情况直接反映了吸水池内部的流动情况,与旋涡的发生也有着密切的关系。近年来国内外许多学者利用数值模拟和试验等手段对水泵吸水池内部的流动状态进行了分析,从而揭示发生旋涡的规律。Yamamoto等应用湍流模型对水泵吸水池非均匀来流对水泵能量损失的影响进行了数值研究; JinWonKim和Dae Soo Lee等采用三维湍流模型对核电站水泵吸水池的流动进行数值分析[1、2]。Ra-jendran等使用PIV系统试验研究了垂直水泵吸水池模型的涡的产生,测量了水泵吸水池内的表面涡和附壁潜没涡;Ansar等则使用多普勒声速仪(LDV)测量研究了矩形吸水池中非定常流动状况,对存在反射流和不存在反射流时表面涡的产生进行了分析。

　　本文利用PIV技术和数值计算的VOF模型主要研究开式水泵吸水池不同进口结构对其自由液面的影响[3、4]。

　　2 研究模型及方法

　　2. 1 研究模型

　　研究过程中共包括三个模型,即三种不同的进口结构,如图1所示。其中模型Ñ为30b锥形收缩段,模型Ò在收缩段后带有30b锥形扩散段,模型Ó在底部安装0. 1m高的台阶。针对每种模型试验设计了两种来流速度和淹没深度,来流速度v分别为0. 30m/s和0. 55m/s,淹没深度h分别为0. 2m和0. 3m。为方便利用PIV进行自由液面测量,试验段采用透明的有机玻璃制成。

　　2. 2 数值模拟方法

　　VOF模型是一种求解气液两相流动和自由表面流动的算法[5]。该方法通过引入流体体积组分A函数及其控制方程来表示混合流体的密度并跟踪自由面的位置。在使用VOF模型对湍流进行模拟时,其基本方程式由物性方程、连续方程、混合流体的雷诺平均Navier-Stokes方程、湍动能方程(k方程)和湍动能耗散率方程(E方程)五类方程组成。本文采用有限体积法离散控制方程,对流项采用二阶迎风差分格式计算,其它各项采用二阶中心差分格式计算,采用SIMPLE压力校正算法。

　　为了能够准确的模拟吸水池内的流动状态,将防涡墙前2000 mm长的来流渠道和防涡墙后300 mm长的吸入管道也包括在模型中,进水口的高度设为600 mm。网格采用结构化网格,在吸水池特征结构处(如中央隔板末端、台阶末段、收缩口等)进行了专门的网格加密。