Kamalapur雨水泵站前池水力特性數值模擬研究

雷 恒，李 穎，羅全勝

(1．黃河水利職業技術學院，河南 開封 475003；2．小流域水利河南省高校工程技術研究中心，河南 開封 475003)

雨水泵站前池[1]的水流流態對水泵運行時的效率、汽蝕程度、振動及噪聲產生較大影響，不良的流態會嚴重影響水泵的性能。傳統的物理模型試驗受到場地限制、人身安全、測量精度等因素影響，所得結果與取值范圍有較大出入。隨著流體動力學數值模擬技術的快速發展，采用CFD技術能有效地模擬復雜的過程、降低成本、提高精度。國內學者焦建廷[2]通過數值模擬，分析了泵站前池和進水池的水流流態；高傳昌[3]等對泵站前池與進水池水流通過數值模擬提出了整流方案。國外學者Rejowski Jr R[4]等、Spence R[5]等對前池結構、進水流態和運行調度等方面提出了很好的建議和措施。本文以孟加拉國Kamalapur雨水泵站為例，建立數學模型和湍流模型，對該泵站前池水流流態進行了數值模擬，并通過水力模型試驗加以驗證，保證運行時不會發生重要的問題，水流無有害漩渦，并不會對原型泵的運行造成影響。

1 工程概況

Kamalapur雨水泵站位于孟加拉國達卡市東部地區，受納水體為Segunbagicha河道，受納水體洪水位為7.09 m(絕對標高)，汛期最高、最低及正常水位分別為6.22、4.0和4.5 m，如圖1所示。泵站設置3臺軸流泵(預留1臺備用泵位)，單泵設計流量5 m3/s，進水采用明渠進水，長度約70 m，進口處設自動除污格柵；出水消能池1座，4根DN1 500 mm出水鋼管。

2 物理模型與數值模擬

2.1 物理模型

泵站模型的整體布置在試驗場按原地形制作，主要包括原河道、引渠、泵房等。根據泵站參數及任務的特點，采用正態整體模型，實際模型設計采用幾何比尺為Lp/Lm=λL=6，模型按弗勞德準則設計。模型雷諾數及模型韋伯數經計算分別為4.2×105和9.714×103，模型尺寸300 mm，最小水深超過150 mm，泵吸入口直徑>80 mm，符合國外標準[6]《水泵進水設計》第9.8.5.3條要求。模型采用斷面法制作地形，泵室部分采用有透明機玻璃制作，河床采用混凝土砂漿硬化，砂漿厚度達到4 cm。邊墻采用500 mm×240 mm磚墻砌筑，內外墻面使用混凝土砂漿粉面。

圖1 Kamalapur雨水泵站布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of Kamalapur rainwater pumping station

2.2 計算區域

計算區域包括引水渠和前池容納水體，限于篇幅，以正常水位單泵運行工況為例，網格數110萬左右，如圖2(a)、2(b)所示。CFD分析軟件采用Fluent，壓力和速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力、速度、湍動能均采用二階迎風格式離散計算[7]。前池計算區域及分析斷面如圖2(c)所示，其中X表示橫斷面，Y表示縱剖面，Z表示水平剖面，取前池進口底部為坐標原點(0，0，0)，分析選用前池進口橫斷面X=500 mm，縱剖面Y=200 mm、Y=500 mm，水平剖面Z=2 000 mm、Z=3 000 mm。

圖2 計算網格區域及分析斷面(單位：mm)Fig.2 Computational grids and cross-section for analysis

2.3 控制方程

泵站前池水流屬復雜的三維紊流流態，假定在定常、不可壓流動條件下，采用雷諾時均(N-S)方程模擬水流，并利用標準k-ε雙方程使方程組封閉[8,9]。方程組如下：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

2.4 邊界條件

(1)進口邊界。假定k和ε均勻，以流速分布為進口邊界條件，k=0.003 75u2in、ε=k1.5(0.4H0)，其中uin為進口平均流速；H0為水深。

(3)考慮到前池水面隨時間變化不大，自由水面采用剛蓋假定。

(4)壁面條件計算采用標準的壁面函數。

3 計算結果及分析

通過CFD數值模擬，得到了引水渠和前池流場分布情況，分別分析如下。

3.1 引水渠水力特性分析

從圖3(a)可知，整個引水渠的表面最大流速0.134 m/s，流速比較緩慢。引水渠進水口表面由于斷面的擴大，存在回流區域，從圖3(b)可以看出，回流高度27.14 cm，約占進口高度的1/2。通過模型試驗，如圖3(c)所示，進口段受主河道邊界條件影響愈加凸顯，流態愈不平穩，回流高度約為26 cm，主流偏右更加明顯，右岸翼墻處繞流漩渦深度約20 cm。計算結果與試驗結果相近，但引水渠進口漩渦較明顯，流態不穩定。

圖3 引水渠表面流速和流態分布圖Fig.3 Velocity and flow regime distribution graph of approach channel surface

3.2 前池水力特性分析

從圖4(a)可知，單泵運行時在前池閘門前存在一個漩渦區域，在高度上約占前池進口高度的1/3。由圖4(c)和圖5(a)(Z=2 000)可知，在前池表面存在2個表面漩渦，但2個漩渦并不是完全對稱的，一個尺寸較大，另外一個尺寸較小，原因可能是前池閘門進水時的流態分布不均造成的。隨著水深的增加，此漩渦逐漸消失，在喇叭口附近水流近似于垂直向池底流動，如圖5(b)(Z=3 000)所示，所以該漩渦不會對喇叭口附近的流態產生明顯的影響。模擬計算時，參考壓力的位置選擇在前池進口水面處，參考壓力值為101 325 Pa。從圖5(c)、5(d)知，漩渦中心的壓力明顯高于汽化壓力，說明流速小，漩渦強度很小，不會產生氣蝕現象。

圖4 前池流態分布圖Fig.4 Flow regime distribution graph of the forebay

圖5 前池喇叭口不同水平剖面流態和壓力分布圖(壓力單位：Pa)Fig.5 Flow regime and pressure distribution graph of different horizontal section of forebay bell mouth

由圖6(a)～6(c)可知，前池喇叭口附近左右側附壁各有一個漩渦沿喇叭口是對稱的，但在靠近導流墻附近此漩渦變小，逐漸消失，由圖6(d)可知漩渦中心的絕對壓力高于汽化壓力，說明漩渦強度很小，流速也很小，不會產生氣蝕現象。由圖6(e)、圖6(f)可知，在導流墻后部壁面處存在一個漩渦，但是此漩渦緊貼在壁面附近，尺寸較小，對喇叭口附近的流動影響較小。

從以上分析可知，在前池喇叭口附近壁面處存在著5個漩渦，表面漩渦最大，側附壁漩渦次之，后附壁漩渦最小，但這些漩渦在喇叭口附近均消失，所以不會對水泵裝置性能產生影響。

圖6 前池喇叭口左右側壁及后側壁流態分布圖(壓力單位：Pa)Fig.6 Flow regime distribution graph of lateral wall and posterior wall of forebay bell mouth

4 結 語

由數值模擬計算結果可知，Kamalapur雨水泵站正常運行情況下，整個引水渠和前池內流態分布較好，前池段的吸水管后泵室水面未出現明顯有害漩渦，不會對水泵裝置的運行性能產生明顯的影響，喇叭口在徑向、垂向進流狀況基本均衡，滿足設計要求。

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[1] 張景成,張立秋. 水泵與水泵站[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2003.

[2] 焦建廷. 灰埠泵站前池和進水池流態的數值模擬[J].中國農村水利水電,2007,(8):123-125.

[3] 高傳昌,劉新陽,石禮文,等. 泵站前池與進水池整流方案數值模擬[J].水力發電學報,2011,30(2):54-59.

[4] Rejowski Jr R, Pinto J M. A novel continuous time representation for the scheduling of pipeline systems with pumping yield rate constraints[J]. Computers and Chemical Engineering 2008,32(4/5):1 042-1 066.

[5] Spence R, Amaral-Teixeira J. Investigation into pressure pulsations in a centrifugal pump using numerical methods supported by industrial tests[J]. Computers & Fluids，2008,37:690-704.

[6] ANSI/HI 9.8-1998，American National Standards Institute.Pump Intake Design[S].

[7] 王福軍. 計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[8] 李 禮,張根廣,華維娜,等. 南迪普火電廠循環水泵站進水流槽水流特性三維數值模擬[J].中國農村水利水電,2011,(1):160-163.

[9] 盧春暉,張永麗,唐劍韜. 泵站前池水力性能的數值模擬[J].流體機械,2012,40(7):20-23.