摘要：近年来，我国的水电站建设越来越多，虹吸式水轮机的应用也越来越广泛。倒虹吸在小流量运行条件下，由于水头损失小，进水口尾水位高程将会低于上游渠道或进水池水位高程，发生跌水、水跃等不良流态，不利于倒虹吸管道运行。文章针对倒虹进口水跃发生的原理进行分析，得出水跃是由于进口水流不淹没，发生远驱式水跃导致的结论，并据此提出在满足工程安全运行及经济合理性条件下的工程处理措施。
关键词：小流量；水头损失；水跃；跃后水深；淹没出流
引言
目前，关于轴流泵进水流道的研究较多，可以为虹吸式水轮机进水流道的优化设计提供参考。鉴此，本文在原有虹吸式水轮机模型的基础上，通过ＣＦＤ数值模拟结合正交试验设计方法，研究机组悬空距离、后壁距和侧壁距等因素对虹吸式水轮机水力性能的影响，旨在为水轮机在进水池内布置位置的优化设计提供参考，以保证水电站安全、高效运行。
1虹吸式进水方式基本原理
“虹吸”是一种常见的流体力学现象，液体在大气压力的作用下升高到曲管最高处，然后在重力作用下又下流到比原液面更低的地方，基本模型如图1所示。流体从液面较高的A面通过U形管的吸虹作用流向液面较低的B面，其中A、B液面高度差H越大，管内负压越大，流体流速越快，因此可以通过人为控制H值来控制管内流速、负压等参数。基于这个特点，虹吸式进水方式在水利、给排水管道设计中被广泛应用。
图1虹吸现象基本模型
2水跃分析
为避免水跃发生，要求无论在何种工况条件下，进水口均应保持一定淹没深度，淹没深度应满足规范要求。对不满足要求的倒虹吸，通常采取在出口处设置闸门或者降低进水池底板高程措施，达到雍高或抬升进口尾水位，使得进口水跃被尾水水面淹没。通过对上述处理措施进行分析，其本质目的是提高尾水水面高程，使进口处水流发生淹没出流衔接，池中水跃位于尾水水面以下。倒虹进口一般布置有闸室、闸室下游设有消力池，消力池也作为倒虹进水池，当过闸水流落差较大时，会在闸下游发生水跃。当跃后水深大于尾水深时，会发生远驱式水跃，出现不稳定流态；而当跃后水深小于尾水深时，则发生淹没水跃，此时水流为稳定流态。不良水跃流态是指发生远驱式水跃，对其原理进行分析之后，不难看出，决定水跃发生的影响因素主要有尾水水深和跃后水深两种，与管顶最小淹没深度没有必然关系。倒虹进口发生稳定流时，只需满足尾水水位高于跃后水位，发生淹没水跃即可，此时管进口尾水面可能高于管顶高程，也可能低于管顶高程。笔者通过对倒虹吸相关书籍及规范进行对比分析，书籍[1]提出，为消除水跃，将进水口顶缘布置在管道通过小流量时进口计算水位以下，并保持一定的淹没深度；规范正文中要求管进口处于淹没状态，同时规范条文说明中提到竖井式、斜坡式进水口水流平稳衔接的必要条件是淹没出流，斜坡式还要求淹没管口。通过以上对比分析发现，规范相较于书籍对倒虹进口淹没条件进行了适当放宽。究其原因，笔者认为主要是书籍是2006年出版，规范较书籍滞后5年，为2011年发布实施，期间正值中国水利建设黄金时期，大量的倒虹工程得以建设实施，特别是南水北调工程中倒虹吸应用及验证，为倒虹吸进口流态变化影响因素提供了大量工程案例。因此规范在总结了实际工程运行情况的基础上，对倒虹吸进口管顶最小淹没深度进行了取消，只要求淹没进口，但在条文说明中提到水跃发生本质原因为进口水流是否淹没出流。考虑到规范应用对象及富余安全性，正文中并未提到淹没出流，而要求淹没管口。结合上述水跃原理及其现行书籍、规范分析，笔者认为，在对于大流量、大管径倒虹按照管顶以上最小淹没深度或者淹没管口作为控制条件时，固然可以满足要求，但进水口底板一般挖深较大，对工程结构安全、投资影响较大，此时可采用小流量进口水流淹没作为控制条件，满足进口稳定流要求即可。
3进水池的正交试验设计优化
正交试验设计对于研究多因素多水平的影响是一种高效、快速、经济的试验设计方法。本次试验选择3个影响因素，为了增加试验的准确性，对悬空高度选取6个水平。以虹吸式水轮机的流量、功率、水头、水力效率及流速均匀度作为考察指标，其中以水力效率和输出功率作为2个主要考察指标。
4处理措施
通过设计流量拟定倒虹进水口设计参数，尾水面一般都会高于进口管顶缘，但在小流量复核时，尾水面大多数会低于管顶高程。对于小流量复核条件下出现水跃等不良流态现象，主要处理措施有降低进水口底板高程、管出口设闸、单管变双管等办法。由于管出口设闸在实际运行操作中比较麻烦，双管措施考虑因素较多，要在设计阶段重点论证其可行性，文章主要说明降低进水池底板高程的方法。具体方法是在小流量条件下，通过下式分别计算管身段及出口段水头损失。
式中：Z为管进口至下游水头损失值，m；Z1为管身段水头损失，m；Z2为出口水面回升值，m；λ为能量系数，λ=8g/C2；V管中流速，m/s；L管长，m；d管径，m；ζ为局部损失系数；v1出口局部水头损失系数；V1下游渠道流速，m/s。计算下游出口渠道对应小流量设计水位，用渠道水位加上水头损失Z反推出进水口尾水水位，尾水位减去进水池板高程得出尾水深hs。通过试算不同的进水池底板高程值，计算并分析相应的尾水深hs及跃后水深h”比值，直至使得淹没系数hs/h”≥1.05（取下限），此时倒虹进水口底板高程满足要求。另外，为确保淹没水跃完全发生在进水池内，池长应不小于淹没水跃长度。通过这种方式，适当削弱了导叶段下方漩涡的强度，改善了后壁面附近的水流流态，虽然没有消除漩涡，但明显缩小了漩涡的范围和强度。同时可得最优模型的进水流道剖面的整体流速分布均匀程度高于初始模型。
5数值模拟结果分析
进水流道中出现了以附底涡和壁涡为主的明显漩涡，两侧回流并非对称分布。初始模型的流量值高于最优模型，且最优模型的流速分布更加均匀，上下分布比较对称，流速从转轮处向外呈环状递减趋势，在后壁侧仍然出现局部漩涡，同时进水流道的水流流态也有所改善。最优模型的各段水力损失均小于初始模型，尤其是在导叶段和转轮段两部分更加明显，并在输出功率上提升了12％左右。由此表明，最优模型中导叶段的水流流态得到了有效改善，并提高了转轮的做功能力。
结束语
综上所述，倒虹吸在设计时，管道通过加大流量与小流量时，水头损失值相差较大，因此不仅仅需要考虑设计流量、加大流量工况，还应验算小流量工况条件下倒虹吸进水口水流衔接状态，进水口底板高程选取应满足小流量条件下进口水流淹没。倒虹吸进口发生水跃的决定性因素主要有尾水深及跃后水深两种，其本质原因是进水管尾水位低于上游跃后水位，水流衔接时发生远驱式水跃。进水口淹没条件下计算出底板高程比较低，对于大流量、大管径倒虹吸，进水口底板要降低的较多，这样不仅增加施工难度，也对闸室、进水池的稳定带来不利因素，同时也要增加相应的投资。因此，选择合理进水池底板高程对工程结构安全、投资概算影响较大。
参考文献：
[1]陈德亮.取水输水建筑物丛书倒虹吸管[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
[2]熊启钧.灌区建筑物的水力计算与结构计算[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[3]宋天文，邱勇，蔡德军，等.高水头倒虹吸管流量控制试验研究[J].人民长江，2008，39（16）：85-86.
[4]中华人民共和国水利部.灌溉与排水渠系建筑物设计规范：SL482-2011[Z].北京：中国计划出版社，2018.
论文作者:韩雪丹
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
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