开敞式进水池喇叭口悬空高度对吸气涡的影响

摘要

开敞式进水池是中小型泵站中重要的水工建筑，其在结构尺寸设计不合理时易出现空气吸入涡（air-entrained vortex，简称吸气涡），严重时会发生空蚀，从而严重影响泵站安全稳定运行。在开敞式进水池中，喇叭口悬空高度C对进水池流动影响较大。本文根据泵站设计规范中给定的悬空高取值范围，采用简化的耦合水平集与流体体积方法（simple coupled level-set and volume-of-fluid method,S-CLSVOF）捕捉水气交界面，并基于分叉模型（bifurcation model,BM）进行数值模拟，分析了吸气涡随喇叭口悬空高度的变化规律，并从喇叭口处涡量及涡拟能的角度，分析了产生该规律的机理。结果表明：吸气涡的大小和进水管内相对吸气率β呈正相关，且平均相对吸气率在3×10^–4～7×10^–4之间；平均相对吸气率基本随悬空高度的增加呈下降趋势，但在C=0.35D（D为喇叭口直径）处出现突降的情况；每个方案涡量随时间的变化规律表明涡量可定量体现吸气涡的强度；通过对涡拟能输运方程中的分析，发现漩涡受到的拉伸作用决定了平均相对吸气率的变化规律，且与吸气率的变化规律一致，揭示了吸气率突降的机理。同时，分析研究结果发现，在设计进水池时，考虑到吸气涡程度与泵的安装，C=0.35D的悬空高度为最优选择。本文结论对进水池的设计具有指导意义。

关键词

进水池 / 吸气涡 / 悬空高度 / 简化的耦合水平集与流体体积方法 / 吸气率