论文标题：Study on the Vortex in a Pump Sump and Its Influence on the Pump Unit（进水池内漩涡及其对泵装置性能影响的研究）

期刊：JMSE

作者：Xijie Song, Chao Liu and Zhengwei Wang

发表时间：13 January 2022

DOI：10.3390/jmse10010103

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/jmse

近期，清华大学王正伟教授及其研究团队 (宋希杰，清华大学；刘超，扬州大学) 在Journal of Marine Science and Engineering (JMSE) 期刊上发表了名为“Study on the Vortex in a Pump Sump and Its Influence on the Pump Unit”的文章。本文研究了进水池内附底漩涡演化过程中的压力特性及其对泵机组的危害。研究成果有望提高对于进水池内漩涡研究的深度，为工程应用和学术研究做出贡献。

研究背景

抽水泵站是重要的耗能工程，泵站进水池是泵站内重要的进水结构。由于进水池的设计不合理和流态恶化，泵站进水池内会产生有害漩涡，漩涡对于水泵机组的运行来说是一个负面因素，会导致泵的性能下降，造成能源的浪费。并且对于含沙水流，涡流会改变颗粒的运动，加剧叶轮的冲蚀。图1显示了长期在涡流条件下运行泵组的结构损坏。附底漩涡是进水池内众多漩涡的一种，其发生于水下，对于机组的危害更为隐秘。

图1. 水泵叶轮壁面磨损。

目前对于进水池内的漩涡的研究，大多采用无泵的简单模型，难以探索附底漩涡对于水泵的影响。

研究方法

本文采用已经得到验证的VOF数值模拟法和实验法开展进水池内附底漩涡研究。

研究内容

作者通过动态测试试验获得的不同时刻漩涡形态和由V3V试验获得的不同时刻漩涡演化特性，将进水池内附底漩涡的单个演化周期及演化过程分为初生、发展、保持、溃退、消失五个阶段，如图2所示。在初生阶段附底漩涡开始显现，并向漩涡涡管形态发展；随着时间的增加，漩涡涡管逐渐增长接近叶轮进口；在保持阶段，漩涡形态达到最大；在溃退阶段，附底漩涡与叶轮叶片壁面接触。

图2. 不同阶段漩涡形态：(a)初生阶段；(b)发展阶段；(c)保持阶段；(d)溃退阶段；(e)消失阶段。

在初始阶段，漩涡区呈现对涡的压力分布，集中在喇叭管下方中心位置；在发展阶段，初期两个低压区逐渐融合相交；在保持阶段，漩涡核心区低压范围达到最大；在溃退消失阶段，漩涡低压区迅速减小；在消失阶段，漩涡核心区低压区逐渐消失。图3展示不同时刻不同高度位置的漩涡核心区压力分布。

图3. 漩涡区压力时空分布。

整体上漩涡核心区的压力变化趋势是先缓慢减小，然后迅速增加，漩涡核心区的压力变化规律，同样可以说明漩涡形成、发展时间要大于漩涡溃退消失的时间。随着时间的变化漩涡核心的负压会存在波动 (图4)。

图4. 涡核中心压力随时间变化曲线。

涡核内压力随涡核半径逐渐增大，在涡核半径3mm内压力基本相等，在3mm至5mm涡核核心内压力随涡核半径逐渐增大，在10mm以外压力保持平稳。涡核内压力随涡核半径的变化规律同样符合强迫涡的特征 (图5)。

图5. 漩涡区压力沿涡核半径变化曲线。

在附底漩涡初生阶段，漩涡区压力梯度开始产生，并缓慢增长；在发展阶段初期涡核内压力梯度强度随时间迅速增大，在发展阶段，中期涡核内压力梯度会存在波动；在保持阶段，涡核内压力梯度强度达到最大；在溃退阶段，涡核内压力梯度强度迅速减小，并在消失阶段漩涡区压力梯度基本消失。涡核内压力梯度的减小时间小于增加的时间，进一步验证了漩涡的溃退消失速率大于形成发展速率 (图6)。

图6. 漩涡核心区压力梯度变化曲线。

研究结论

结果表明，随着时间的推移，涡核内的压力逐渐降低，在发展阶段降至负压，在持续阶段达到最低。当涡管内的负压达到汽化压力附近时，会导致叶轮进口出现局部空化。漩涡的演变伴随着压力梯度的变化，在涡核中心区域的压力梯度非常小。本文对涡核内的压力梯度进行了详细的讨论，这项研究为更好地了解泵池中的涡流特性以及原型泵的优化设计提供了理论指导。

JMSE 期刊介绍

主编：Tony Clare, Newcastle University, UK

期刊内容主要涉及海洋工程、海岸工程、海洋环境科学、海洋生物学、化学海洋学、海洋地质学、物理海洋学、海洋能源、海洋污染以及海洋灾害等一般领域的研究。

2020 Impact Factor：2.458

2020 CiteScore：2.0

Time to First Decision：14.6 Days

Time to Publication：34 Days