水力发电学报水泵吸水池的改进和PIV试验验证李永1李小明1吴玉林1袁辉靖3（。清华大学热能工程系北京100084；。日本日立有限公司；3.北京大学力学系北京100871）提要水泵吸水池设计的合理与否，会直接影响到泵站的运行效率和安全，在新型水泵吸水池设计中采用了三种结构形式：封闭式池身结构、双进口双流道结构和倒角过渡结构。应用PIV（粒子成像测速）技术对这种吸水池模型的内部流动进行全场量测，试验结果表明这种吸水池结构能够很好的避免和减少各种涡的发生，优化了吸水池内部的流动状态，从而提高了泵站的效率和性能。
+、刖目目前，我国有47万余座泵站，它们大多建于六、七十年代，这些泵站的效率普遍较低，对国内2万多座泵站的现场测试表明，它们的平均效率为40有的仅为10~20.同时这些泵站的安全性能也不理想，检修的频率很高。因此，泵站的改造已成为水利工程建设中的一项重要内容。
一个泵站性能的好坏，是由多方面因素决定的，其中水泵吸水池设计的合理与否，会直接影响到泵站的运行效率和安全。好的水泵吸水池应该尽可能的减少吸水池内部的水力损失，能尽可能地消除吸水池内部的各种漩涡，能使泵的水力性能得到充分发挥另外还要求吸水池的结构简单，施工方便，造价合理。
在进行吸水池的设计时，重要的是考虑如何减少吸水池内部流动中的漩涡，它们是引发振动、空蚀和泵效率降低的主要原因，这些都将使得水泵的性能恶化，严重时泵站将不能正常工作。吸水池内部的漩涡有多种类型，它们的产生与吸水池和吸入管的结构有很大关系，同时也与泵的运行工况有着直接的联系111.二、吸水池内的漩涡分析在进行吸水池的设计时，需要尽可能的减少涡的发生，因此有必要对吸水池内部可能发生的漩涡进行分析。总的来说，吸水池内部存在两种类型的涡：表面涡和内部涡12，下*本项目由清华大学机械学院基础研究基金和日本日立有限公司资助。
本文于2⑴1年1月15日收到李永等：水泵吸水池的改进和PIV试验验证面分别进行介绍。
表面涡起始于自由表面，随着吸入管淹没水深的减小而逐渐加剧，一般分为四种类型：（1）表面凹陷涡，仅在自由水面产生凹陷，而没有空气的吸入；（2）间歇吸气涡，随着吸入管淹没深度的减少，漩涡旋转速度加快，凹陷加深，在涡的底端会间歇性的吸入空气；（3）连续吸气涡，连续地发生空气的吸入，形成吸气漏斗；（4）同轴涡，当吸入管淹没水深很低时，漩涡中心与吸入管中心大致相同，此时会有大量气体吸入。
表面涡的产生对泵的运转性能有着重要影响，特别是后三种类型的漩涡，会严重影响泵的效率，有研究表明当漩涡中夹带1（体积比）的空气进入到泵中时，会使离心泵的效率下降15，当吸气量超过10时，水泵就不能正常工作，此时泵的效率会剧烈下降，同时由于大量气体的吸入，会使水泵叶轮的受力不平衡，从而引起机组的剧烈振动，大大缩短泵的使用寿命。
鉴于此，在进行水泵吸水池设计时，应该尽量避免间歇吸气涡的发生，杜绝连续吸气涡和同轴涡的发生。
内部涡发生在吸水池的内部壁面和吸入管的周围，分别叫做壁面涡和吸入涡，前者是由于水流和吸水池壁面撞击形成的，后者是因为吸入管内产生的巨大吸力形成的。
壁面涡一般可以分为三种：底面涡、侧壁涡和后壁涡，它们分别发生在吸水池的底面、左右两个侧面和后壁面的周围。它们的分布与壁面的结构有关，也与吸入管的放置位置有一定联系。好的流动状态应该是尽量避免壁面涡的产生。
吸入涡是每个吸水池内部都会存在的涡，对于结构合理的吸水池，其吸入涡内应该没有明显的掺气，同时，吸入涡的结构应该是规则的，在运行过程中，吸入涡应该是稳定的。
在进行吸水池设计时，要把重点放在消除表面涡和减小内部涡的影响上。
三、新型吸水池介绍根据以上的设计原则，对传统的水泵吸水池进行了改进，设计出一种新型的吸水池，这种吸水池在结构上有诸多优点，能有效地减少各种漩涡的发生，优化水的流动性能，提高泵的运行效率。该新型吸水池的结构简图如所示。
在这种新型水泵吸水池中，采用了三种特殊的结构形式，分别介绍如下：传统的的水泵吸水池都是开放式的，这样的结构使得表面涡很容易发生，为了避免表面涡引起的空气吸入，需要将吸入管的进口淹没在很深的位置，这就要求增加水泵吸水池的深度。而在这种新型的吸水池中，将整个水池做成了封闭的结构，只留下进口和出口两个位置是开放的，采用这种结构使得水流在吸水池中不与外界接触，这就可以完全避免了表面涡发生的可能，这样可以大大减小吸入管的淹没深度，使得吸水池的深度减小，从而节约了造价，同时提高了泵站的效率。
水力发电学报新型水泵吸水池的结构简图在这种新型泵站中，采有了特殊的进口结构，即双进口结构，两个进口的水流各不相关，在吸水池的中间，安装一个隔板，将吸水池分成两个完全对称的部分，同时将两个进口的水流隔开，只有在吸入管的附近，两个进口的水流才混合在一起，共同流进吸入管。这种结构能够合理地控制两个进口的流量，造成一种不对称的来流状态，当这种来流情况合理时，就会使得吸入管周围的吸入涡变得规划而且稳定。这与传统的吸水池结构有很大不同，传统的吸水池设计是采用单进口单流道结构，这样结构看似能在各个过水断面形成均匀来流，其实很难在吸入管的周围形成规则的涡，而使得该处的流动特别混乱，从而增加了水力损失，减小了泵站的效率。采用了双进口双流道结构后，就可以解决这个问题。
为了优化吸水池内部特别是吸入管周围的流动状态，没有将吸水池设计成一个规则的立方体槽，而是在靠近吸入管的一端，在各个壁面的交界处采用了倒角结构。这就避免了该处的流动突变而造成的壁面涡的产生。由于水流与后壁面的撞击为剧烈，这会形成很大的后壁涡，从而造成了大的水力损失和效率的降低，因此，在后壁面的设计中，使用了两个过渡面，来缓解该处的流动变化，减小后壁涡的损失。
以上三种特殊的结构形式，使得吸水池内部的流动状态更加合理，这可以通过下面的模型试验加以验证。
四、吸水池性能的PIV试验检验为了对这种新型水泵吸水池的内部流动状态进行检验，将它结构做成一个250onX40cmX25cm的吸水池模型，并采用PIV（粒子成像测速）技术对其内部各个壁面处的流动进行全场量测，得到壁面处的流动状态。
PIV实验系统由以下几部分组成：一个双腔Nd：Yag激光器，一个CCD，一个高速数据接口板，一个同步器和数据处理系统。其中激光器为功率120mj/Pulse的Nd：YAG双腔激光器，示踪粒子为直径为1020m的空心玻璃粒球，所使用的摄像机分辨率为1. 3KX1K激光器两次脉冲之间的间隔可以为200A600*，第二次曝光的时间比次曝光的时间要长每秒钟拍摄375对单次曝光照片在这种情况下可以得到非常理想的流场李永等：水泵吸水池的改进和PIV试验验证状态分布图象。
在实验过程中，通过控制两个进口的流量，对吸水池内部不同工况的流动状态进行了量测，会发现A、B两个进口的流量比在从0.2到1的范围内变化时，吸水池的内部流动状况都比较理想，这里只选择其中的一种工况进行说明。该工况下两个进口的流量分别为：QA 41流线分布由PIV试验结果可以得到各个壁面处的流线分布情况，表示该工况下，左壁面（大流量一侧）和右壁面（小流量一侧）处的流线分布。
从中可以看出，在大流量的壁面处，流动非常规则，没有明显的侧面涡的产生，而小流量侧壁面处的流动也比较规则，在靠近吸入管进口的位置，有明显的规则的涡产生，这其实是吸入涡的反应，而不是真正的侧面涡。这个结果说明该吸水池能够有效地避免侧面涡的产生。表示该工况下底面和后壁面处的流线分布情况。
从中可以看出，在吸水池的底面，没有明显的底面涡产生，而在吸入管进口周围存在非常规则和稳定的吸入涡，涡按照逆时针的方向旋转，即从大流量的一侧在后壁面处水力发电学报发生偏转，流向小流量的一侧。从后壁面的流线图中可以看出，后壁面处的流动同样非常规则，没有明显的后壁涡产生。
对流线图的分析表明，这种新型的水泵吸水池能够很好的消除壁面涡，同时也改善了吸入涡的性能。
42湍动能分布对PIV实验的测量结果进一步分析，可以得出该工况下，四个壁面附近湍动能的分布情况。分别是该工况下，左壁面和右壁面的湍动能分布图。
从中可以看出，在靠近左壁面（大流量侧）的测量面上，湍动能的值较小，而且在整个测量面上变化不大；在靠近右壁面（小流量侧）的测量面上，湍动能的值相对较大，而且在整个测量面上的分布也比较稳定，在吸入管的进口周围，湍动能的值大，可达到0.041m2/s2，这说明该吸水池壁面处的流动状况非常好，没有大的扰动发生。左右两侧壁面的湍动能分布的差异是因为两侧流量的不同造成的，大流量的一侧与吸水池后壁发生撞击后，发生偏转，在小流量一端形成回流，从而造成小流量一侧的流动相对复杂，反应在湍动能上就是该侧的湍动能分布比较混乱，而且数值相对较大，但这完全在允许的范围之内，不会对流动造成不良的影响。表示该工况下底面和后壁面处的湍动能分布情况。
左右壁面处的湍动能分布（长度单位：Mm湍动能单位：m2（a）底面（b）后壁面底面和后壁面处的湍动能分布（长度单位：m湍动能单位：m2/s2）李永等：水泵吸水池的改进和PIV试验验证从中可以看出，吸水池底面大部分区域的湍动能比较小，在吸入官的周围，湍动能逐渐变大，在吸入管进口的中心位置附近，湍动能达到了大值，为0. /s2，这是由于该处的速度变化特别剧烈，而且三维流动特性很强，因此，反应在湍动能上就表现为其数值增加很快，且中心点的值很大，但这仍然在允许的范围之内，不会造成大的水力损失。
对于后壁面处的流动，从湍动能分布图中可以看出，在大流量的一侧，湍动能变化相对较小，而在小流量一侧，湍动能的分布就比较复杂，这同样是由于吸水池尾部的回流造成的，从整个后壁面湍动能的分布来看，总体来说湍动能的值还是很小的，不会在吸水池的尾部形成不良的流态。
用PIV实验对这种新型水泵吸水池的内部流动测量结果表明，这种水泵吸水池具有良好的流动性能，这与设计的期望相当吻合，达到了对水泵吸水池进行改造的目的。
五、结论这种新型水泵吸水池采用了封闭式结构，这样它在完全淹没的情况下就避免了从自由面吸入空气的可能，从而避免了表面涡的发生；同时，它在在结构上做了合理的改进，克服了传统的吸水池内部流动混乱的缺点，在很大程度上减小或者避免了壁面涡的产生，并使得吸入涡的性能大为改善，这些都优化了吸水池内部的流动状态。据估测，使用这种吸水池可以使泵站的效率提高5左右，同时，能够有效地改善泵站的运行性能，因此它在泵站建设中有着广泛的应用前景。
