流量与环量对低扬程泵装置出水流道水力特性的影响及其机理研究

Pumping stations with low head play a very important role in some areas of our county, such as interbasin water transfer, water environmental improvement, city flood control and agricultural irrigation and drainage. Outlet conduit is an important part of the pumping station, and head loss of the conduit accounts for high proportion of the head of pumping station so that it has a large influence on pump system efficiency. The outlet conduit is transition section between pump guide vane and outlet pool, its hydraulic characteristic is affected by both discharge and velocity circulation of flow at the guide vane exit. At present, research on this aspect is little because that the velocity circulation is hard to measure. Swirl meter, which is designed and produced by our research team, is used to solve the problem. Based on the swirl meter, the relationships between the velocity circulation and discharge of model pumps will be researched. Influence laws of discharge and circulation on hydraulic characteristic of outlet conduit with different types and different shapes will be researched quantitatively, by the method of combining conduit model test and numerical simulation. And mechanism of the influence law will be analyzed and researched. The researches may guide the hydraulic designs of outlet conduit and guide vane in the pump system with low head, improve the hydraulic design level of pump system and impel the theory of the hydraulic of pumping station to develop.

低扬程泵站在我国跨流域调水、水环境改善、城市防洪和农业灌排等方面发挥了重要的作用。出水流道是低扬程泵站的重要组成部分，其水头损失占泵站扬程比重大，对泵装置效率影响大。出水流道是水泵导叶体和出水池之间的过渡段，其水力特性受到流量与导叶出口水流速度环量的交叉影响。目前对这方面的研究还较少，主要是因为导叶出口水流的速度环量难以检测。本课题组采用自主设计制作的旋度计解决了这一难题。本课题将研究模型水泵导叶出口水流速度环量与流量之间的关系，采用流道模型试验和数值模拟相结合的方法定量研究流量与环量对不同型式不同形线出水流道水力特性的影响规律，并揭示流量与环量对出水流道水力特性交叉影响的机理。本课题研究结果可指导低扬程泵装置出水流道和导叶的水力设计、提高泵装置水力设计水平和推动泵站水力学理论的发展。

低扬程泵站在跨流域调水、水环境改善和灌排工程等领域应用广泛。出水流道是低扬程泵站的重要组成部分，位于导叶体和出水池之间，对泵装置效率影响大，其水力性能受流量与导叶体出口环量共同影响。本项目在出水流道水力性能试验装置上，测试了不同流量时的导叶体出口环量和出水流道水头损失；采用数值模拟和模型试验结合的方法研究了不同导叶体出口环量条件下不同型式不同形线出水流道的水力性能，分析了流道水头损失和流道流态，并分析了流量和环量对流道水力性能影响的原因。研究表明：在水泵转速和叶片安放角一定时，导叶体出口水流平均速度环量随流量增大先减小后增大，设计流量附近环量最小；流道水头损失随工况改变的变化规律较为复杂，当流量处于（0.4～0.8）Qo 之间时，水头损失随流量增大略有减小，当流量处于（0.8～1.2）Qo之间时，水头损失随流量增大而增大；不同平面扩散角出水流道设计流量时的水头损失随水流旋转速度的增大先略有减小后显著增大，低驼峰式和虹吸式出水流道水头损失在旋转速度分别大于450r/min和300r/min时增大显著，同一旋转速度时水头损失随扩散角的增大基本呈减小趋势；同一扩散角下随旋转速度增大流道旋涡区由底部逐步向底部右侧及右侧上部发展，旋涡区的起始位置向流道出口侧发展，同一旋转速度时随扩散角的增大流道下部旋涡及低速区的范围逐渐加大但旋涡强度减弱；同一转向角时流道水头损失随旋转速度的增大呈逐渐增大的趋势，同一旋转速度时随进口转向角的增大流道上升段右下侧的低速区增大、下降段右下侧区域的旋涡强度有所减弱；流道水头损失数值计算结果与模型试验结果的趋势一致，水头损失随旋转速度增大先略有减小而后显著增大，数值模拟结果小于模型试验结果；对于低扬程泵站出水流道，零环量条件下受惯性作用水流在转弯或扩散较大处易形成脱流而增加水头损失，具有一定环量时在离心力作用下水流趋向流道边壁运动不易产生脱壁，从而改善流道内流态、有利于减小水头损失，同时流道进口的环量也会造成切向动能的损失增加水头损失，当环量增加引起流态改善减小的水头损失大于环量增加造成的切向动能损失时，流道水头损失随环量增大而减小，当环量增加造成的切向动能损大于环量改善流态减小的水头损失时，流道水头损失将开始明显增大。本研究结果可为低扬程泵装置出水流道和导叶体优化水力设计提供理论依据，对提高低扬程泵装置水力设计水平和完善泵站水力学理论具有重要意义。