偏心漸縮管和彎管對(duì)泵站進(jìn)水管道流態(tài)的影響研究

摘要：為深入研究不同偏心漸縮管長(zhǎng)度和彎管角度對(duì)開(kāi)敞式泵站進(jìn)水管道水力特性的影響，探索進(jìn)水管道水力性能參數(shù)隨彎管角度和偏心漸縮管長(zhǎng)度變化的規(guī)律，以黃河下游引黃提灌泵站為例，基于Fluent仿真軟件，對(duì)14種不同彎管角度和偏心漸縮管長(zhǎng)度方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)典型斷面的進(jìn)水管道流場(chǎng)進(jìn)行了流態(tài)分析。對(duì)比分析方案1—5發(fā)現(xiàn)：偏心漸縮管長(zhǎng)度的改變對(duì)進(jìn)水管道水力損失及出口斷面處的水流速度分布均勻度和速度加權(quán)平均角的影響較大，且偏心漸縮管長(zhǎng)度分別為600、700、800 mm時(shí)進(jìn)水管道水流的整體水力特性較好。對(duì)方案6—14的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：彎管角度的變化主要對(duì)彎管段水流流態(tài)產(chǎn)生影響，對(duì)其他部位的水流擾動(dòng)不大。進(jìn)一步結(jié)合評(píng)價(jià)函數(shù)圖，得出結(jié)論：①?gòu)澒芙嵌仍酱?，水流過(guò)渡越平穩(wěn)，水力損失越小;彎管角度越小，則水力損失越大。②偏心漸縮管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，出口斷面水流速度分布均勻度和速度加權(quán)平均角的值越大，整流效果越好，但水力損失也越大;偏心漸縮管長(zhǎng)度越短，整流效果越差。

關(guān)鍵詞：泵站;彎管;偏心漸縮管;進(jìn)水流態(tài);數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV765文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6792（2025）01-0103-12

泵站進(jìn)水管道是連接泵站進(jìn)水池和水泵之間的一段過(guò)渡性流道，其水力流態(tài)對(duì)水泵性能產(chǎn)生直接影響，應(yīng)盡量減少進(jìn)水流道附件及其長(zhǎng)度，且布置平順，保證嚴(yán)密不漏氣，以便使水流以最小的水力損失均勻且平順地流入葉輪。一般來(lái)講，泵站進(jìn)水管道包括直管段、彎管段和漸變管段。其中，漸變管即管徑逐漸發(fā)生改變的管道，由于工程中常受其他條件限制，為提高管道水流水力性能，經(jīng)常將漸變管用作進(jìn)水管道穿墻、進(jìn)水管道與水泵進(jìn)口等管徑變化處的連接過(guò)渡，漸變管根據(jù)管道中心是否變化可分為偏心漸變管和同心漸變管，又可分為漸縮管和漸擴(kuò)管兩種。由于進(jìn)水管道中的彎管和漸變管會(huì)改變水流方向，對(duì)水流影響較大，故彎管和漸變管水力性能的優(yōu)劣對(duì)水流流態(tài)具有重要影響。

在泵站工程目前的研究當(dāng)中，由于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）［1-3］技術(shù)的迅猛發(fā)展以及CFD軟件計(jì)算分析方便快捷等特點(diǎn)，CFD軟件已被廣泛應(yīng)用于泵站工程的模擬研究中［4-7］。如：張建偉等［8］通過(guò)CFD軟件，對(duì)泵站進(jìn)水管道岔管的不同接入角度進(jìn)行了流態(tài)和模態(tài)的計(jì)算與分析，發(fā)現(xiàn)岔管接入角度越小，水流對(duì)管道的沖擊越小。陳義春等［9］通過(guò)CFD相關(guān)軟件，針對(duì)泵站機(jī)組進(jìn)水管段經(jīng)常抽不上水和進(jìn)水管水流含氣量高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并計(jì)算分析了原始及優(yōu)化方案的機(jī)組工作狀況，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的機(jī)組進(jìn)水管道水力性能有了顯著提升。高傳昌等［10］針對(duì)泵站進(jìn)水管路布置引發(fā)的流態(tài)惡化、泵裝置效率低下等問(wèn)題，借助Fluent軟件對(duì)優(yōu)化前后的進(jìn)水管路布設(shè)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案效果顯著。董亮等［11］對(duì)比分析了不同湍流模型下90°彎管的流場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、Realizable k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型在管道直線段的流態(tài)模擬效果良好，RNG k-ε模型除了在彎管段θ=60°時(shí)的模擬存在偏差外，其余狀態(tài)下的模擬效果良好，SST k-ω模型則除了在彎管段θ=30°時(shí)的模擬存在偏差外，其余狀態(tài)下的模擬效果良好，LES（Large Eddy Simulation）模型則在θ=0°～90°下的流動(dòng)模擬效果均較好。夏學(xué)坤等［12］借助CFD軟件，對(duì)不同偏心異徑管連接進(jìn)水管道的3種優(yōu)化方案進(jìn)行了計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)3種方案下的管路水力性能均能滿足實(shí)際要求。李曉超等［13］對(duì)優(yōu)化后的泵站進(jìn)水管路進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了進(jìn)水管徑推薦值750 mm。樊新建等［14］探索了泵站正向進(jìn)水池?cái)U(kuò)散角分別為20°、25°、30°、35°、40°、46°時(shí)對(duì)泵站進(jìn)水池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)：大擴(kuò)散角對(duì)水流約束小，產(chǎn)生水流脫壁現(xiàn)象，回流擠壓主流，流態(tài)變差;而小擴(kuò)散角對(duì)水流約束強(qiáng)，但水流不易擴(kuò)散，也使得水泵進(jìn)水條件惡化。黃先北等［15］研究了懸空高對(duì)進(jìn)水流道水力特性的影響，發(fā)現(xiàn)吸氣渦的強(qiáng)度基本隨著懸空高的增加而減小。郁片紅等［16］通過(guò)Fluent軟件對(duì)進(jìn)水流道存在的主流集中、回流及偏流等問(wèn)題進(jìn)行了研究分析。施偉等［17］針對(duì)豎井貫流式泵裝置的進(jìn)出水流道，進(jìn)行了性能影響的關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究。車曉紅等［18］對(duì)泵站肘形進(jìn)水流道和虹吸式出水流道的上升角和下降角進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。吳鵬飛等［19］通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了泵站進(jìn)水池的表面吸氣渦的機(jī)理并提出了相應(yīng)解決措施。張德勝等［20］通過(guò)數(shù)值模擬與PIV（Particle Image Velocimetry）試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，探討了泵站進(jìn)水池吸入口的漩渦結(jié)構(gòu)及其發(fā)展過(guò)程和相關(guān)特性?？椎轮t等［21］分析探討了水平式進(jìn)水管的懸空高對(duì)泵站進(jìn)水池進(jìn)水特性的影響。鄭云浩等［22］通過(guò)極差分析法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，探討了簸箕形進(jìn)水流道的型線優(yōu)化。高傳昌等［23］通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析了泵站進(jìn)水池超低水位下不同消渦組合方案的整流效果。初長(zhǎng)虹等［24］分析了5種不同進(jìn)水口淹沒(méi)深度對(duì)流場(chǎng)漩渦的影響。高學(xué)平等［25］對(duì)抽蓄電站進(jìn)/出水流道不同反坡坡比的水力性能進(jìn)行了分析探討。張晨等［26］通過(guò)SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法對(duì)豎井式進(jìn)/出水流道進(jìn)行模擬，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

總體而言，目前專家學(xué)者關(guān)于泵站的研究分析大多集中于進(jìn)水前池和出水流道，關(guān)于進(jìn)水管道的研究較少，鮮有進(jìn)水管道中彎管和漸變管水流流態(tài)的研究。但進(jìn)水管道出口直接與水泵進(jìn)口相連，其水力性能又對(duì)水泵產(chǎn)生重要影響，故十分有必要開(kāi)展彎管和漸變管對(duì)泵站進(jìn)水管道水流流態(tài)的影響研究。

為深入探討彎管和漸變管對(duì)泵站進(jìn)水管道的水力特性影響，結(jié)合引黃提灌工程實(shí)際，共設(shè)置了14種不同彎管角度和偏心漸縮管長(zhǎng)度的計(jì)算方案，通過(guò)數(shù)值模擬研究不同方案下的進(jìn)水管道水力性能，以期進(jìn)一步減少管道水力損失、探索管路布設(shè)最優(yōu)方式、提高泵站效益。

1工程概況

該引黃提灌泵站位于黃河下游，主要保障灌區(qū)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水等，在當(dāng)?shù)厮W(wǎng)結(jié)構(gòu)中具有重要地位，為當(dāng)?shù)厣钌a(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。該泵站進(jìn)水池為開(kāi)敞式的，共裝設(shè)24臺(tái)離心泵，2臺(tái)機(jī)組共用一進(jìn)水池，4臺(tái)機(jī)組共用一引水池，進(jìn)水池水深3.4 m，布置示意圖如圖1（a）所示。其中進(jìn)水管采用垂直式布置，進(jìn)水管出口與水泵進(jìn)口相連，進(jìn)水管道包括喇叭管、進(jìn)口直管、彎管、出口直管、偏心漸縮管5部分，各部分長(zhǎng)度等詳細(xì)參數(shù)如圖1（b）所示。為深入分析進(jìn)水管道內(nèi)偏心漸縮管長(zhǎng)度和彎管角度變化對(duì)進(jìn)水管道水流水力特性的影響，結(jié)合計(jì)算資源，僅對(duì)1臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行工況下的進(jìn)水管道水力特性進(jìn)行研究。

2數(shù)值計(jì)算

2.1計(jì)算方案根據(jù)泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［27-29］可知，進(jìn)水管道流速宜在1.5～2.0 m/s范圍內(nèi)。針對(duì)進(jìn)水管道而言，喇叭管主要起整流作用，使得水流盡可能均勻、平順地流入進(jìn)水管道;直管段內(nèi)水流基本保持原有流動(dòng)慣性，沿管道方向流動(dòng)，在實(shí)際工程中，為防止進(jìn)水管道頂部積氣，水平段會(huì)設(shè)計(jì)成傾斜向上;彎管段改變了水流流向，影響管道水流流態(tài);偏心漸縮管一方面引導(dǎo)水流以較小的水力損失流入水泵，一方面對(duì)管道水流進(jìn)行整流，使得流出進(jìn)水管道的水流更加均勻、平順地流入水泵，其水流流態(tài)直接決定進(jìn)入水泵的水流流態(tài)，進(jìn)而影響水泵裝置的效率。因此，為探索偏心漸縮管長(zhǎng)度和彎管角度變化對(duì)進(jìn)水管道水力特性的影響，筆者針對(duì)偏心漸縮管不同長(zhǎng)度、彎管不同角度分別設(shè)置對(duì)應(yīng)方案，其中彎管角度為其兩端面所成夾角，如圖2所示。進(jìn)水管直徑、懸空高、后壁距等其他參數(shù)保持不變，各方案在設(shè)計(jì)流量0.88 m3/s下進(jìn)行數(shù)值模擬，參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表1。

2.2模型與網(wǎng)格劃分進(jìn)水流道計(jì)算模型包括前池、進(jìn)水池和進(jìn)水管，通過(guò)NX.UG軟件對(duì)計(jì)算模型按1∶1比例進(jìn)行建模，采用大型流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS Fluent自帶的Meshing模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，剖分網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格格式（內(nèi)部為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，邊壁采用多面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格），為滿足工程要求及計(jì)算精度，對(duì)流速梯度變化大的喇叭口、彎管、偏心漸縮管、邊壁處進(jìn)行局部加密。以方案4為例，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析（圖3（a）），確定網(wǎng)格數(shù)量為430萬(wàn)個(gè)。模型如圖3（b）所示。

2.3控制方程與邊界條件數(shù)值模擬計(jì)算采用連續(xù)方程、雷諾時(shí)均N-S方程［30］和兩方程模型中能更好模擬進(jìn)水池表面渦及附壁渦的Realizable k-ε模型［31-34］，采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解。計(jì)算域的進(jìn)口斷面為前池距進(jìn)水流道足夠遠(yuǎn)處，該處可認(rèn)為流速分布均勻，為速度進(jìn)口。流道出口斷面即計(jì)算域出口斷面，設(shè)置為自由出流。由于水面穩(wěn)定，將其設(shè)為對(duì)稱面條件，其他固體邊壁均為壁面，采用壁面無(wú)滑移條件。

2.4分析截面與評(píng)價(jià)函數(shù)為更好地分析進(jìn)水管道內(nèi)部流態(tài)，探索相關(guān)變化規(guī)律，現(xiàn)選取如下特征截面進(jìn)行分析：在Z方向上選擇進(jìn)水流道中心剖面Z0;在X方向上選擇彎管出口斷面X0、偏心漸縮管進(jìn)口斷面X1和偏心漸縮管出口斷面X2;在Y方向上選擇喇叭口斷面Y0和彎管進(jìn)口斷面Y1。共計(jì)6個(gè)截面進(jìn)行流線、流速分析，截面示意圖如圖4所示。

為更好地評(píng)判各方案下進(jìn)水流道的水力性能，以進(jìn)水管道水力損失、進(jìn)水管道出口斷面的水流速度分布均勻度和速度加權(quán)平均角為評(píng)價(jià)函數(shù)［35］， 水流速度分布均勻度和速度加權(quán)平均角分別按式（1）和式（2）計(jì)算。

Vu=1－1ua∑（uai－ua）2m×100%，（1）

θ=∑uai90°－arctanutiuai∑uai。（2）

式中：Vu為水流速度分布均勻度;uai和ua分別為進(jìn)水管道出口斷面各單元的軸向流速和平均軸向流速;m為進(jìn)水流道出口斷面的單元總數(shù)，所謂單元即網(wǎng)格劃分的單元網(wǎng)格，通過(guò)該式利用各單元流速得出該面的Vu；θ為水流速度加權(quán)平均角;uai和uti分別為進(jìn)水管道出口斷面各單元的軸向流速和橫向流速。

流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角兩者越接近理想值，認(rèn)為水流性能越好，其中流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角的理想值分別為100%和90°。

水力損失hw是指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中單位質(zhì)量液體的機(jī)械能損失，計(jì)算公式如下：

hw=E2－E1=P2ρg－P1ρg+Z2－Z1+V222g－V122g。（3）

式中：hw為水力損失;E2、E1分別為進(jìn)水管道進(jìn)口、出口的總能量;P2、P1分別為進(jìn)水管道進(jìn)口斷面和出口斷面處的平均動(dòng)水壓強(qiáng)，Pa;V2、V1分別為進(jìn)水管道進(jìn)口斷面和出口斷面處的平均流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3;g為重力加速度，10 m/s2。

3結(jié)果分析

3.1相同彎管角度、不同偏心漸縮管長(zhǎng)度方案1—5的截面分析結(jié)果為90°彎管下、偏心漸縮管的長(zhǎng)度分別為400、500、600、700、800 mm時(shí)的運(yùn)算結(jié)果。

圖5為進(jìn)水管道中心剖面的流速云圖。由圖5可知：在各方案下，水流經(jīng)喇叭管整流后比較平穩(wěn)地流入直管段;彎管內(nèi)側(cè)水流流速大于外側(cè)水流流速，符合流體力學(xué)規(guī)律（半徑越大，壓力越大，流速越低;反之亦反）;水流從彎管流出后，保持原有運(yùn)動(dòng)慣性，向出口直管段的偏上部分流動(dòng)，故直管段下部產(chǎn)生低流速區(qū)，由于直管段不改變水流方向，低流速區(qū)呈增大趨勢(shì)，直至出口偏心漸縮管處;水流受偏心漸縮管整流，流速增大，且偏心漸縮管的長(zhǎng)度影響明顯，漸縮管越長(zhǎng)，整流效果越好，出口水流流速越來(lái)越接近真實(shí)流速，速度分布也越來(lái)越均勻。

圖6為喇叭管進(jìn)口剖面的流速云圖。由圖6可知：各方案下喇叭管口處的流速分布均呈環(huán)狀，較為均勻，流速值大小也較接近，流線分布類似，整體無(wú)明顯差別，偏心漸縮管的長(zhǎng)度變化對(duì)喇叭管處水流影響不大。

圖7為彎管進(jìn)口剖面圖。圖中各方案均出現(xiàn)高流速區(qū)和低流速區(qū)，高流速區(qū)靠近管道內(nèi)側(cè)，呈類圓狀分布，且隨漸縮管長(zhǎng)度的增加，彎管局部的高流速區(qū)域略有增大趨勢(shì)（偏心漸縮管越長(zhǎng)，水流過(guò)渡越平緩，軸向速度損失越?。?外側(cè)則為低流速區(qū)，呈月牙狀分布。各方案的整體流速分布類似，管道中心處均有漩渦產(chǎn)生。

圖8為彎管出口剖面流速云圖。觀察圖8各方案的流線分布可知：各方案下均存在兩個(gè)位置對(duì)稱漩渦，分布在彎管左右兩側(cè)，且右側(cè)漩渦強(qiáng)度大于左側(cè)漩渦強(qiáng)度，兩個(gè)漩渦強(qiáng)度有隨著偏心漸縮管長(zhǎng)度的增加而不斷減弱的趨勢(shì)，這是因?yàn)槠臐u縮管的增長(zhǎng)使得流速降低，漩渦強(qiáng)度亦隨之減弱;各方案下的流線分布大致相似，除方案1外，其他方案的流速分布較類似；方案1中的低流速區(qū)略大，隨著偏心漸縮管長(zhǎng)度的增加而增加;彎管出口斷面的低流速區(qū)不斷減小，流速分布愈加均勻。

圖9為偏心漸縮管進(jìn)口剖面流速云圖。由圖9可知：偏心漸縮管處管道斷面偏心收縮，水流從管道下部低流速區(qū)向管道上部出口流動(dòng)，各方案下流線分布一致;各方案下水流流速分布相似，高流速區(qū)位于管道上側(cè)，低流速區(qū)在下側(cè)，隨著漸縮管長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，漸縮管進(jìn)口斷面的低流速區(qū)不斷變小，斷面水流流速分布趨均勻。

圖10為偏心漸縮管出口剖面圖。由圖10可知：各方案下水流繼續(xù)保持向上的流動(dòng)趨勢(shì)，流線分布一致;速度分布大致相同，近似成環(huán)狀分布;但高流速區(qū)面積隨著偏心漸縮管長(zhǎng)度的增加不斷變大，慢慢鋪滿整個(gè)斷面，這是因?yàn)槠臐u縮管越長(zhǎng)，越利于管道水流的調(diào)整，使得流速整體分布更加均勻。

結(jié)合評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算公式，方案1—5即偏心漸縮管長(zhǎng)度分別為400、500、600、700、800 mm的評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)果分布如圖11所示。由圖11可知：

1）隨著偏心漸縮管長(zhǎng)度的增加，沿程損失增大，進(jìn)水管道水力損失變大，同時(shí)偏心漸縮管長(zhǎng)度變長(zhǎng)，水流整流區(qū)域長(zhǎng)度越長(zhǎng)，由于整流區(qū)域內(nèi)的流體流態(tài)較平直管段流體流態(tài)紊亂，故其整流區(qū)域內(nèi)部流動(dòng)損失有所增加，使得水力損失進(jìn)一步增大，但方案整體的水力損失差距不大，最大水力損失差距為0.35 cm。

2）速度分布均勻度均在90%以上，且隨著偏心漸縮管長(zhǎng)度的增加不斷增大，但增長(zhǎng)幅度漸緩。其中：方案1速度分布均勻度最小，為90.132%；方案5的最大，為94.126%?？梢?jiàn)，偏心漸縮管的變化對(duì)出口斷面流速分布均勻度影響較大。

3）各方案出口斷面的速度加權(quán)平均角在75°以上，隨著偏心漸縮管長(zhǎng)度的增加，其出口斷面速度加權(quán)平均角明顯增大，但其增長(zhǎng)速率逐漸減緩。方案1出口斷面的速度加權(quán)平均角最小，為75.998°；方案5的最大，為81.618°?？梢?jiàn)，偏心漸縮管的變化對(duì)出口斷面速度加權(quán)平均角影響較大。

綜上所述，偏心漸縮管長(zhǎng)度的變化對(duì)進(jìn)水管道水流流態(tài)影響較大。偏心漸縮管越長(zhǎng)，速度分布均勻度、出口斷面速度加權(quán)平均角越大，即整流效果越好，但同時(shí)水力損失在不斷增大。方案3、4、5下的綜合水流流態(tài)更好，水流漩渦強(qiáng)度較低，且水流速度分布均勻度、速度加權(quán)平均角較大，水力損失差距不是很大。因此，重點(diǎn)進(jìn)行偏心漸縮管長(zhǎng)度分別為600、700、800 mm時(shí)，不同角度彎管下進(jìn)水管道的水流流態(tài)研究。

3.2相同偏心漸縮管長(zhǎng)度、不同彎管角度偏心漸縮管長(zhǎng)度分別為600、700、800 mm時(shí)，不同彎管角度方案下的流場(chǎng)分布類似，限于文章篇幅，以700 mm為例，分析彎管不同角度對(duì)進(jìn)水流道水力特性的影響。圖12—17中，從左至右方案4、方案9—11的截面分析結(jié)果分別為彎管角度取90°、60°、45°、35°時(shí)的運(yùn)算結(jié)果。

圖12為流道中心斷面圖。觀察圖12可知：各方案下直管段內(nèi)水流流態(tài)差別不大;彎管處管道內(nèi)、外側(cè)形成高、低流速區(qū)，且彎管角度越小，外側(cè)的低流速區(qū)面積越大、內(nèi)側(cè)的高流速區(qū)面積越小;直管段下部出現(xiàn)低流速區(qū)，一直延伸至偏心漸縮管處;僅彎管段內(nèi)水流流態(tài)差別較大，其他區(qū)域的流速分布整體一致。

圖13為喇叭管進(jìn)口剖面圖。由圖13可知：各方案喇叭口處的流速分布均呈環(huán)狀，且斷面內(nèi)大部分流速均為1.34 m/s左右;水流從四周向管道軸線方向流動(dòng)，各方案的流線分布類似，故彎管角度的變化對(duì)喇叭管進(jìn)口處水流流態(tài)無(wú)明顯影響。

圖14為彎管進(jìn)口剖面圖。由圖14可知：各方案斷面速度均大致呈月牙狀分布，管道內(nèi)側(cè)為高流速區(qū)，外側(cè)為低流速區(qū)；隨著彎管角度的減小，高流速區(qū)變小，低流速區(qū)變大，流速分層更加明顯，速度分布更不均勻。這是因?yàn)殡S著彎管角度的不斷減小，彎管邊壁過(guò)渡連接處越來(lái)越不平穩(wěn)，邊壁產(chǎn)生漩渦，水流流態(tài)變差，流速分布越來(lái)越不均勻;觀察流線可知，該斷面中出現(xiàn)明顯漩渦，隨彎管角度的不斷增加，漩渦不斷從管道邊壁向彎管中心移動(dòng)，強(qiáng)度不斷增加。這是因?yàn)?0°大角度彎管下，水流在直管、彎管連接的過(guò)渡段較為平穩(wěn)，邊壁不易產(chǎn)生漩渦，僅管道中心水流受流速梯度影響，有漩渦產(chǎn)生。當(dāng)彎管角度減小后，過(guò)渡段不再平穩(wěn)，水流流動(dòng)產(chǎn)生水力損失，局部損失增大，管道邊壁連接處水流流態(tài)變差，引發(fā)漩渦，但彎管角度減小，水流流速減小，漩渦強(qiáng)度變?nèi)酢?/p>

圖15為彎管出口剖面圖。觀察可知：各方案下彎管出口斷面的流速分布與彎管進(jìn)口斷面分布類似，管道角度越小，流速區(qū)分層越明顯，低流速區(qū)位于管道外側(cè)，高流速區(qū)位于管道內(nèi)側(cè)；彎管出口斷面出現(xiàn)兩個(gè)漩渦，且隨著彎管角度的不斷減小，逐漸由管道邊壁向管道中下部靠攏，強(qiáng)度有所減弱;漩渦亦是由于過(guò)渡水流引起，彎管角度大的水力損失小，但較高的水流流速致使水流速度環(huán)量較大，從而引發(fā)較強(qiáng)的漩渦;彎管角度的降低，使得水流過(guò)渡更加不平穩(wěn)，使水流流態(tài)進(jìn)一步紊亂，但因其水流流速的降低使漩渦強(qiáng)度不斷減弱。

圖16為偏心漸縮管進(jìn)口剖面圖。由圖16可知：各方案偏心漸縮管進(jìn)口斷面流速分布相同，斷面下半部分為低流速區(qū)，高流速區(qū)位于管道斷面上部;隨著偏心漸縮管的收縮作用，水流從管道下部低流速區(qū)向管道上部出口流動(dòng)，流線分布整體一致，且隨著彎管角度的增加，漸縮管進(jìn)口斷面的流線分布更加平順均勻。

圖17為偏心漸縮管出口剖面圖。由圖17可知：各方案偏心漸縮管出口斷面的流速分布相同，呈圓環(huán)狀，且管道內(nèi)大部分為高流速區(qū)，流速值均無(wú)較大差別;流線分布相同，依然保持原有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，向管道上部流動(dòng)，無(wú)漩渦產(chǎn)生。

圖18為不同偏心漸縮管方案下的評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)果分布圖。由圖18可知：①不同偏心漸縮管長(zhǎng)度方案下，彎管角度的點(diǎn)線圖分布規(guī)律基本一致，出口斷面的速度分布均勻度在90°和60°彎管方案下較大，在45°彎管方案下劇烈下降，在30°彎管方案下又有回升，整體趨勢(shì)是隨著彎管角度的減小，先降低后增加。這是因?yàn)樗俣确植季鶆蚨戎饕茌S面速度和平均軸面速度影響，彎管角度較大情況下，其水力損失小，速度分布均勻度就高，但角度較小時(shí)，整體損失增加，水流流速降低，再經(jīng)偏心漸縮管整流，其水流軸向流速及其平均軸向流速差值有所減小，出口斷面速度分布均勻度明顯提高。②速度加權(quán)平均角在90°和60°彎管方案下較大，但60°彎管方案下速度加權(quán)平均角比90°彎管下的大，后隨彎管角度減小，在45°和30°彎管下其值較小，整體變化趨勢(shì)是隨著彎管角度的減小，先略有增加而后減小。這是因?yàn)殡S著彎管角度的增加，整體水流過(guò)渡更加順暢，其水力損失小，整體的速度分布更趨均勻，但在較大的彎管角度下，由于其流速較高，漩渦強(qiáng)度較大，其水流產(chǎn)生的速度環(huán)量也大，則水流的軸向速度分量損失偏大，使得速度加權(quán)平均角反有略降。

速度分布均勻度的最大差值是0.7%，速度加權(quán)平均角的最大差值為0.3°，可見(jiàn)彎管角度的變化對(duì)出口斷面的速度分布均勻度和速度加權(quán)平均角影響不顯著;水力損失隨著彎管角度的減小而增大，且增大趨勢(shì)越發(fā)明顯，彎管角度為30°時(shí)水力損失均為最大，最大水力損失差約為0.6 cm。對(duì)比分析可知，彎管角度變化對(duì)管道損失的影響較顯著。綜上：彎管角度為60°和90°時(shí)，進(jìn)水流道的水流流態(tài)較好。

圖19為不同彎管角度方案下的評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)果分布圖。由圖19可知：不同彎管角度下的評(píng)價(jià)函數(shù)折線分布類似，各方案下的偏心漸縮管長(zhǎng)度越大，相應(yīng)的速度分布均勻度和速度加權(quán)平均角越大，其管道水力損失也增大。這是因?yàn)橄嗤瑥澒芙嵌认?，偏心漸縮管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，沿程損失越大。偏心漸縮管內(nèi)紊亂的水流流態(tài)會(huì)使得流動(dòng)損失進(jìn)一步增加，但其整流效果隨著偏心漸縮管長(zhǎng)度的增加會(huì)越來(lái)越好。結(jié)合上述分析，推薦偏心漸縮管的長(zhǎng)度為700 mm。

4結(jié)論與展望

1）偏心漸縮管長(zhǎng)度的變化對(duì)進(jìn)水管道前面的過(guò)流部件內(nèi)水流流態(tài)的影響不大，其長(zhǎng)度變化主要對(duì)出口斷面水流的速度分布均勻度和加權(quán)平均角有較大影響，而水力損失的變化值差距不大。

2）偏心漸縮管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，整流效果越好，出口斷面水流分布越均勻，但管道水力損失也相應(yīng)增大，其推薦值以700 mm為優(yōu)。

3）彎管角度的變化主要影響彎管段內(nèi)的水流流態(tài)，其角度越小，水力損失越大，低流速區(qū)面積也越大，流速不斷降低，漩渦強(qiáng)度也越小，推薦大彎管角度60°～90°為宜。

4）彎管角度的變化對(duì)管道水力損失的影響較為顯著，出口流速分布均勻度及加權(quán)平均角雖也有變化，但波動(dòng)值較小。

本文僅研究了特定條件下不同彎管角度和偏心漸縮管長(zhǎng)度下的進(jìn)水管道水流流態(tài)變化規(guī)律，進(jìn)水管直徑、懸空高、后壁距等關(guān)鍵參數(shù)改變后的進(jìn)水管道水流流態(tài)變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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Influence of Eccentric Tapered Pipe and Elbow Pipe on the

Flow Pattern of Inlet Pipe in Pumping Station

LI Xiaochao1，2， GAO Zhikai3， XIE Minping3， LI Xiaohe4， LUO Yi2，

TANG Hualin2， LIN Xiaoheng5， LI Jun3

（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China;

2.China Water Hydropower Development Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China;

3.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China;

4.South China Normal University， Guangzhou 510631， China;

5.The Fourth Construction Co.， Ltd. of China Construction Eighth Engineering Bureau， Qingdao 266100， China）

Abstract：

To investigate the effects of different eccentric tapered pipe lengths and elbow angles on the hydraulic characteristics of the inlet pipe in open pumping stations， this study explores the variation of hydraulic performance parameters with changes in elbow angles and eccentric tapered pipe lengths. Using the Yellow River pumping station in the lower reaches of the Yellow River as a case study， numerical simulations of 14 schemes were conducted based on Fluent software. The flow field of the inlet pipe at typical sections was analyzed using evaluation functions. Comparative analysis of schemes 1-5 reveals that changes in the length of the eccentric tapered pipe significantly affect the hydraulic loss of the inlet pipe， the uniformity of flow velocity distribution， and the velocity-weighted average angle at the outlet section. Optimal hydraulic performance is observed when the eccentric tapered pipe lengths are 600 mm， 700 mm， and 800 mm. The calculation and analysis of scheme 6-14 show that the change of elbow angle mainly affects the flow pattern of elbow section， and has little disturbance to the flow of other parts. Further evaluation shows that larger elbow angles result in smoother water flow transitions and lower hydraulic losses， whereas smaller elbow angles increase hydraulic losses， whereas smaller elbow angles increase hydraulic losses. Additionally， longer eccentric tapered pipe lengths improve the uniformity of flow velocity distribution and the velocity-weighted average angle at the outlet section， enhancing rectification effects， but at the cost of increased hydraulic losses.

Keywords：

pumping station; elbow pipe; eccentric tapered pipe; inflow flow pattern; numerical simulation

（編輯：?jiǎn)檀淦剑?/p>

收稿日期：2023-07-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51909094）。

第一作者：

李曉超（1997—），男，博士研究生，從事水利水電工程方面的研究。E-mail：hnscyxlxc@163.com。

通信作者：李君（1979—），男，副教授，碩導(dǎo)，博士，從事水利工程方面的研究。E-mail：uniquelijun@ncwu.edu.cn。