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摘 要：随着人们日渐了解与认识水泵装置中出水流道的地位与作用，开始重视对出水流道的研究。而出水流道的基本形态是研究人员首先要研究了解的部分。该文针对泵站出水流道的基本形态进行了研究。
关键词：水泵 出水流道 基本流态
中图分类号：TV135.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0027-02
1 泵站出水流道研究现状及重要性
在过去，国内只是对出水流道的水力损失这一块做过实验研究。而近年来，国内已越来越重视出水流道对泵站装置的作用。随着研究的深入，对其认识也越来越清楚，提出要对出水流道水力的设计理念与方法进行相关研究的要求。根据其相关内容，可以知道在泵站装置中，出水流道的相关布置会严重影响到其装置效率，所以出水流道型线的变化必须要具备均匀的特点。
泵站出水流道的设计与泵站进水流道的设计都是整个泵站设计过程中十分重要的组成部分，设计的结果会对企业的社会效益和经济效益产生直接的影响。随着社会经济的快速发展以及科学技术的日益进步，这些工程设计必须跟着改进及完善。
2 泵站出水流道出水流道基本形态
2.1 虹吸式
虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一种基本形态，它通过采取破坏真空的方法在水泵机组发生停机的时候进行断流。这种方法操作简便可靠，能够及时将水流切断，而且水泵机组倒转的时候所需要的时间很短。虹吸式出水流道可分为上升段和下降段，其中上升段的水流流动很平顺，而且断面越大，水流速度就越小。上升段与下降段之间存在驼峰段，当水流以极快的速度越过它转向下降段时，在较强的惯性作用下，水流会偏向流道的外侧。这个时候流道的内侧会出现范围比较大的脱流，而且随着下降段越来越陡，其现象就会越来越严重，最终使得流道出口段产生体积不小的旋涡。垂直方向上的旋涡会呈现以流道中心为圆心的强弱分布，圆心处最强，而流道边壁处很弱。而在水平方向上，则没有脱流的现象或者尺度比较大的旋涡。把计算流量无论是减少还是增加20%，都会出现流量越大，旋涡强度和影响范围也越大的情况。而在这个过程中，出水流道的基本流态却没有出现实质性变化，如图1示。
2.2 直管式
直管式出水流道已经被广泛应用于国内多种泵站中，其断流方法一般为液压控制的快速闸门以及拍门。直管式出水流道形状比较简单，在施工的过程中还具有比较便利的特点。而且节省了土建投资，运行比较稳定，启功的扬程也比较低，如图2示。
直管式出水流道相接于水泵出口60°的弯管，其断面以圆形渐渐变为方形，在立面与平面两个方向上越来越大，流道内的平均流速却越来越小。直管式出水流道的流态一般是平顺的，水流只在进入出水池后才会突然扩散。所以，出水池底部会有一个影响区域很大却并不强烈的旋涡，会对流道内的流态产生影响。因此，流道底部靠近出口的地方会存在滞水区域。其出口断面还没出现负流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均匀，但比虹吸式流道要好。不过尺度较大的漩涡或者脱流现象却并没有出现在流道平面的方向上。在设计流量的前提下，将计算流量减少或者增加20%时，也不会对流道内的基本流态产生任何影响。
2.3 斜式
按照水平线与水泵轴线之间的夹角以及对各种水泵装置扬程的适应性，可以将斜式出水流道分为15 °、30 °和45 °三种型式，通常会和斜式轴伸泵装置进行配套使用。斜式轴伸泵装置早在20世纪80年代后期开始就在国内被开发应用，通常水流比较平顺，转弯角度不大，在低扬程大型泵站中会比较常见这种出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵导叶出口，其流道形态和直管式的差不多，其断面以圆形渐渐变为方形，在立面与平面两个方向上越来越大，如图3示。
其流态很平顺，出水池里面的流态和直管式比较像。当水流在进入出水池之后扩散，会在其底部形成立面旋涡。事实上，三种型式的斜式出水流道的旋涡都会以不同的程度延伸到流道的内部，对其流道出口周围的流态产生影响。在15 °斜式流道出口处，会有负流速产生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均匀，其程度处于上面两种出水流道之间。尺度较大的漩涡或者脱流现象却并没有出现在斜式流道平面的方向上。在设计流量的前提下，将计算流量减少或者增加20%时，也不会对流道内的基本流态产生任何影响。
2.4 箱涵式
出水流道基本流态常见的都是上述三种，而箱涵式出水流道一般应用于特低扬泵站中，断流的方式为快速闸门。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道长度、宽度、高度和后壁型线形状以及后壁距。其中，在高度方面可分为根据类似工程确定的喇叭口到出水流道的顶板之间的悬空高度、根据泵体结构而确定的喇叭管伸入其流道时的高度。其长度会在对工作桥和泵房进行布置时而确定，出水流道的宽度会和进水流道的宽度一样，如图4示。
3 泵站出水流道基本流态初步计算分析
泵站出水流道的内部流场相关数值模拟的控制方程为动量方程和连续方程、k-ε模型的k方程与ε方程。而出水流道流动模拟的数学模型边界条件的内容包括进口边界、出口边界、固壁边界以及自由表面。一般来说，计算流场的进口会设置在水泵后面流动非常充分的导叶出口断面处。按照设计要求，导叶出口环量非常小。所以出水流道的流场进口边界条件为进口流速与流场进口断面相垂直。而计算流场的出口会设置在与流道出口有一段距离的出水池里，其出口边界条件和静水压力分布给出的条件差不多。
4 泵站出水流道实验研究
在对泵站出水流道进行实验研究时，以低扬程立式轴流泵为例。出水流道对于立式轴流泵来说，其作用是使得水流转向有序以及扩散平缓，使得流道尽量不会发生旋涡、脱流等现象，而且在流道的水力损失尽可能小的情况下尽量将水流的动能多点回收。在大型立式轴流泵中，通常会与虹吸式与直管式两种型式的出水流道进行配套使用。要确保其水泵装置具备最好的能量性能，就要具备理想的出水流态。而理想的出水流态能够对低扬程站的效率产生十分大的影响。出水流道的最基本属性就是出水流态，它能够完全决定流道水力性能。因此，低扬程立式轴流泵在选择出水流道形式时，可以结合数据模拟与模型试验准确分析与评价各种出水流道的基本流态。
4.1 虹吸式出水流道三维流场
将虹吸式出水流道进行优化之后，再对其进行三维流场数值模拟，得到其流道主要截面以及表面流场示意图，如图5～6示。
由图5、图6可知，流道进口的水流存在一定环量，而且以螺旋的形状进入流道。随着虹吸式出水流道宽度正在不断扩大，虽然上升段的各断面高度不断减小，但是其流速却在不断减小。水流的扩散和转向角度都比较平缓，没有发生脱流的现象。由于环量与水流惯性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右两边的流场并没有具备对称性。从水流顺方向观察，可以看到主流偏向左侧上部，同时有范围不大、强度也有些弱的局部旋涡出现在流道右下侧的下方区域立面方向上。
4.2 直管式出水流道三维流场
将直管式出水流道进行优化之后，再对其进行三维流场数值模拟，得到其流道主要截面以及表面流场示意图。
由图可知，流道进口的水流存在一定环量，而且以螺旋的形状进入流道。直管式出水流道转向为90 °时，其转弯的半径很小，再加上环量与水流惯性的存在，使得直管式出水流道在转向90 °之后，其流道的下降段位于左右两边的流场并没有具备对称性。从水流顺方向观察，可以看到主流偏向左侧上部，同时有范围不大旋涡出现在流道下降段右下侧的下方区域里。
5 结语
随着泵站出水流道的流动形态日益受到关注，对泵站出水流道基本流态的研究势在必行。而数值模拟的方法有利于将其流动形态揭示出来，同时也能够为泵站出水流道提供水力设计的改进方法。泵站出水流道出口的断面周围都有立面方向上的旋涡，能够影响其流速的分布。因此，还需要更加深入研究泵站出水流道。
参考文献
[1] 陆林广，刘丽君，刘军.泵站出水流道基本流态分析[J].水利学报，2000（3）：45-46.
[2] 陆林广，陈阿萍，黄金军，等.低扬程立式轴流泵出水流道基本流态及水力性能的比较[J].南腔北调与水利科技，2007（4）：79-80.
关键词：水泵 出水流道 基本流态
中图分类号：TV135.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0027-02
1 泵站出水流道研究现状及重要性
在过去，国内只是对出水流道的水力损失这一块做过实验研究。而近年来，国内已越来越重视出水流道对泵站装置的作用。随着研究的深入，对其认识也越来越清楚，提出要对出水流道水力的设计理念与方法进行相关研究的要求。根据其相关内容，可以知道在泵站装置中，出水流道的相关布置会严重影响到其装置效率，所以出水流道型线的变化必须要具备均匀的特点。
泵站出水流道的设计与泵站进水流道的设计都是整个泵站设计过程中十分重要的组成部分，设计的结果会对企业的社会效益和经济效益产生直接的影响。随着社会经济的快速发展以及科学技术的日益进步，这些工程设计必须跟着改进及完善。
2 泵站出水流道出水流道基本形态
2.1 虹吸式
虹吸式的出水流道是泵站出水流道其中一种基本形态，它通过采取破坏真空的方法在水泵机组发生停机的时候进行断流。这种方法操作简便可靠，能够及时将水流切断，而且水泵机组倒转的时候所需要的时间很短。虹吸式出水流道可分为上升段和下降段，其中上升段的水流流动很平顺，而且断面越大，水流速度就越小。上升段与下降段之间存在驼峰段，当水流以极快的速度越过它转向下降段时，在较强的惯性作用下，水流会偏向流道的外侧。这个时候流道的内侧会出现范围比较大的脱流，而且随着下降段越来越陡，其现象就会越来越严重，最终使得流道出口段产生体积不小的旋涡。垂直方向上的旋涡会呈现以流道中心为圆心的强弱分布，圆心处最强，而流道边壁处很弱。而在水平方向上，则没有脱流的现象或者尺度比较大的旋涡。把计算流量无论是减少还是增加20%，都会出现流量越大，旋涡强度和影响范围也越大的情况。而在这个过程中，出水流道的基本流态却没有出现实质性变化，如图1示。
2.2 直管式
直管式出水流道已经被广泛应用于国内多种泵站中，其断流方法一般为液压控制的快速闸门以及拍门。直管式出水流道形状比较简单，在施工的过程中还具有比较便利的特点。而且节省了土建投资，运行比较稳定，启功的扬程也比较低，如图2示。
直管式出水流道相接于水泵出口60°的弯管，其断面以圆形渐渐变为方形，在立面与平面两个方向上越来越大，流道内的平均流速却越来越小。直管式出水流道的流态一般是平顺的，水流只在进入出水池后才会突然扩散。所以，出水池底部会有一个影响区域很大却并不强烈的旋涡，会对流道内的流态产生影响。因此，流道底部靠近出口的地方会存在滞水区域。其出口断面还没出现负流速，只是其流速在流道高度方向上的分布并不均匀，但比虹吸式流道要好。不过尺度较大的漩涡或者脱流现象却并没有出现在流道平面的方向上。在设计流量的前提下，将计算流量减少或者增加20%时，也不会对流道内的基本流态产生任何影响。
2.3 斜式
按照水平线与水泵轴线之间的夹角以及对各种水泵装置扬程的适应性，可以将斜式出水流道分为15 °、30 °和45 °三种型式，通常会和斜式轴伸泵装置进行配套使用。斜式轴伸泵装置早在20世纪80年代后期开始就在国内被开发应用，通常水流比较平顺，转弯角度不大，在低扬程大型泵站中会比较常见这种出水流道。斜式出水流道直接相接于水泵导叶出口，其流道形态和直管式的差不多，其断面以圆形渐渐变为方形，在立面与平面两个方向上越来越大，如图3示。
其流态很平顺，出水池里面的流态和直管式比较像。当水流在进入出水池之后扩散，会在其底部形成立面旋涡。事实上，三种型式的斜式出水流道的旋涡都会以不同的程度延伸到流道的内部，对其流道出口周围的流态产生影响。在15 °斜式流道出口处，会有负流速产生，使得流道的流速在高度方向上的分布并不均匀，其程度处于上面两种出水流道之间。尺度较大的漩涡或者脱流现象却并没有出现在斜式流道平面的方向上。在设计流量的前提下，将计算流量减少或者增加20%时，也不会对流道内的基本流态产生任何影响。
2.4 箱涵式
出水流道基本流态常见的都是上述三种，而箱涵式出水流道一般应用于特低扬泵站中，断流的方式为快速闸门。箱涵式出水流道主要的控制尺寸有流道长度、宽度、高度和后壁型线形状以及后壁距。其中，在高度方面可分为根据类似工程确定的喇叭口到出水流道的顶板之间的悬空高度、根据泵体结构而确定的喇叭管伸入其流道时的高度。其长度会在对工作桥和泵房进行布置时而确定，出水流道的宽度会和进水流道的宽度一样，如图4示。
3 泵站出水流道基本流态初步计算分析
泵站出水流道的内部流场相关数值模拟的控制方程为动量方程和连续方程、k-ε模型的k方程与ε方程。而出水流道流动模拟的数学模型边界条件的内容包括进口边界、出口边界、固壁边界以及自由表面。一般来说，计算流场的进口会设置在水泵后面流动非常充分的导叶出口断面处。按照设计要求，导叶出口环量非常小。所以出水流道的流场进口边界条件为进口流速与流场进口断面相垂直。而计算流场的出口会设置在与流道出口有一段距离的出水池里，其出口边界条件和静水压力分布给出的条件差不多。
4 泵站出水流道实验研究
在对泵站出水流道进行实验研究时，以低扬程立式轴流泵为例。出水流道对于立式轴流泵来说，其作用是使得水流转向有序以及扩散平缓，使得流道尽量不会发生旋涡、脱流等现象，而且在流道的水力损失尽可能小的情况下尽量将水流的动能多点回收。在大型立式轴流泵中，通常会与虹吸式与直管式两种型式的出水流道进行配套使用。要确保其水泵装置具备最好的能量性能，就要具备理想的出水流态。而理想的出水流态能够对低扬程站的效率产生十分大的影响。出水流道的最基本属性就是出水流态，它能够完全决定流道水力性能。因此，低扬程立式轴流泵在选择出水流道形式时，可以结合数据模拟与模型试验准确分析与评价各种出水流道的基本流态。
4.1 虹吸式出水流道三维流场
将虹吸式出水流道进行优化之后，再对其进行三维流场数值模拟，得到其流道主要截面以及表面流场示意图，如图5～6示。
由图5、图6可知，流道进口的水流存在一定环量，而且以螺旋的形状进入流道。随着虹吸式出水流道宽度正在不断扩大，虽然上升段的各断面高度不断减小，但是其流速却在不断减小。水流的扩散和转向角度都比较平缓，没有发生脱流的现象。由于环量与水流惯性的存在，虹吸式出水流道下降段位于左右两边的流场并没有具备对称性。从水流顺方向观察，可以看到主流偏向左侧上部，同时有范围不大、强度也有些弱的局部旋涡出现在流道右下侧的下方区域立面方向上。
4.2 直管式出水流道三维流场
将直管式出水流道进行优化之后，再对其进行三维流场数值模拟，得到其流道主要截面以及表面流场示意图。
由图可知，流道进口的水流存在一定环量，而且以螺旋的形状进入流道。直管式出水流道转向为90 °时，其转弯的半径很小，再加上环量与水流惯性的存在，使得直管式出水流道在转向90 °之后，其流道的下降段位于左右两边的流场并没有具备对称性。从水流顺方向观察，可以看到主流偏向左侧上部，同时有范围不大旋涡出现在流道下降段右下侧的下方区域里。
5 结语
随着泵站出水流道的流动形态日益受到关注，对泵站出水流道基本流态的研究势在必行。而数值模拟的方法有利于将其流动形态揭示出来，同时也能够为泵站出水流道提供水力设计的改进方法。泵站出水流道出口的断面周围都有立面方向上的旋涡，能够影响其流速的分布。因此，还需要更加深入研究泵站出水流道。
参考文献
[1] 陆林广，刘丽君，刘军.泵站出水流道基本流态分析[J].水利学报，2000（3）：45-46.
[2] 陆林广，陈阿萍，黄金军，等.低扬程立式轴流泵出水流道基本流态及水力性能的比较[J].南腔北调与水利科技，2007（4）：79-80.