閘站結合泵站前池導流墩整流模擬

趙苗苗，賈君德，秦景洪，梁金棟，楊 帆

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

閘站結合式工程具有投資小、占地面積少的優點，所以在平原地區被廣泛采用，但這種布置結構特殊，閘站結合部的隔墩附近易形成旋渦，且流道進口處的旋渦，會引發氣蝕，引起水泵振動，甚至影響建筑物安全[1-3]。因此，提出一種整流措施來改善閘站結合式泵站隔墩附近的側向水流流態，抑制渦旋產生，改善水泵進口條件，進而提高進水流道的效率顯得尤為關鍵。

導流墩作為泵站前池常用的整流措施，因其結構簡單，施工方便，在泵站前池中已經得到了廣泛的應用。近年來，CFD技術已成為一種重要研究手段致力于探索工程中水力流動特性，國內外學者對泵站前池已開展了大量的數值模擬研究[4-9]。數值模擬方面，針對閘站結合式泵站前池的側向進水現象，羅燦等[10]數值模擬了在非對稱式閘站結合部加設長導流墩整流的前池水流流態，并通過試驗驗證了導流墩能改善進水流道進口斷面上的流速分布。傅宗甫等[11]對閘站結合部導流墻的體型及適宜長度進行了深入的探討，提出了導流墻合適長度的范圍。嚴忠民等[12]分析了平原水閘泵站樞紐布置與整流措施，得出了在閘站結合部加設導流墻和泵站前池加設潛墩可有效地改善不良流態。前人在研究閘站結合式泵站前池流態時，多以在閘站結合部隔墩附近加設導流墩來改善水流流態，但大多只研究了導流墩的位置及長度，對導流墩的形式在泵站側向進水前池整流效果的研究則較為少見。

本文考慮到閘站結合式工程的特殊形式，在前人的研究成果基礎上，對導流墩形狀進行優化設計。將某非對稱布置的閘站結合式引河、泵站前池和進水流道作為整體進行數值模擬，重點研究在閘站結合部隔墩附近前池內加設不同半徑的圓弧形導流墩的整流措施，定性地分析了6種方案下隔墩附近的水流流態，定量地得出了各方案下進水流道進口的軸向速度分布均勻度和速度加權平均角，以作為各方案整流效果的評價指標，進而得出最佳整流方案下導流墩頭部圓弧半徑與閘站結合部隔墩圓弧半徑之間的相關參數。

1 數值計算模型

1.1 幾何模型

采用UG10.0，建立了該閘站結合式泵站進水部分的幾何模型，其平面尺寸大小如圖1(a)所示，圖中尺寸為m，前池進口總流量236.0 m3/s。該模型由引河、節制閘、泵站前池、進水流道及隔墩組成，其中泵站前池布置在引河右岸，節制閘布置在引河左岸，閘站結合處被隔墩隔開，為典型的非對稱閘站結合布置形式[10]。該泵站共有10臺泵機組，各機組進水流道從左到右依次編號為1～10，即1號進水流道靠近隔墩，泵站運行時節制閘不過流。水利樞紐的最低運行水位為6.0 m，引河底高程為0 m，流道進口前底板高程為-3.0 m，閘底板高程為0.5 m。三維模型如圖1(b)所示，圖中X方向為河道水流方向，以主流運動方向為正；Y方向為寬度方向；Z方向為鉛直方向，以向上為正方向。

1-1號進水流道；2-2號進水流道；3-3號進水流道；4-4號進水流道； 5-5號進水流道；6-6號進水流道；7-7號進水流道；8-8號進水流道；9-9號進水流道；10-10號進水流道；11-出口；12-前池；13-隔墩；14-節制閘；15-引河；16-引河右岸；17-引河左岸；18-進口圖1 閘站結合式泵站進水部分平面尺寸及三維模型Fig.1 Dimensions and 3-D model for intake part of combined sluice-pump station

1.2 邊界條件的設置

計算采用的邊界條件為：①進口邊界：整個計算域的進口取引河進水斷面，設為流量進口，總流量為236 m3/s，指定中等湍流強度Tu=5%；②出口邊界：取進水流道的出口作為計算域的出口，共10個出口，每個出口采用靜壓進口邊界條件，壓力值為1 atm；③自由水面：前池水位變化幅度不大，采用對稱面邊界處理，忽略空氣對水面的切應力作用；④固體壁面：引渠、前池和進水流道處的邊壁及底部等處均為固壁，即除進口、出口、水面，其余部分設為wall，采用無滑移的壁面進行處理。計算步數為1 000步，收斂精度設為10-5。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型Fig.2 Calculated model

1.3 網格劃分

該模型將計算域進口位置取在引河處，出口位置取在進水流道出口處，控制網格的尺寸，對整個計算域采用非結構化網格劃分。設置網格形狀為四面體，大小為0.5 m。根據文獻[13]，取水力損失作為選用合適網格數的衡量參數，當網格數超過816 萬個時，總水力損失基本一致，相差都未超過2%，滿足計算要求。

2 方案設計

分析該泵站進水前池不良進水條件的形成原因，提出改善前池流態的改進和優化設計方案。為全面地研究前池的水流流態，共選取12個特征斷面。主要包括：取面層水平剖面Z=5.5 m，取底層水平剖面Z=0.5 m以研究前池面層及底層的流態和軸向速度分布，為了分析前池各出口斷面上的軸向速度分布均勻度與加權平均角，截取了10個進水流道進口橫斷面。

通過分析原方案前池流態，發現該泵站進水前池不良進水條件的形成原因，提出6種整流措施進行對比分析，進而選出改善前池流態的最優方案。整流措施細部如圖3所示。由于隔墩端部是半徑為2.5 m的半圓，為研究隔墩與導流墩的相互聯系，設置導流墩圓弧段水平投影為2.5 m，并對比研究半徑為2.5～4.5 m的頭部為圓弧導流墩的整流效果，主要整流方案如表1所示。各整流方案中導流墩高度均與水深相等，長導流墩尺寸為長13 m，厚0.6 m，圓弧形導流墩總長13 m，直段長10.5 m，圓弧半徑2.5～4.5 m，各導流墩頭部與隔墩頭部齊平，如圖3所示，設隔墩半徑為R。

表1 整流措施表Tab.1 Rectification measures

圖3 整流措施細部(單位：m) Fig.3 Rectification measures details

3 數值模擬結果與分析

3.1 評價指標

(1)前池各出口斷面軸向流速分布均勻度。流速分布均勻度可作為反映各斷面上速度分布情況的重要指標。本文采用軸向速度均勻度Vau表示前池各出口斷面的軸向速度分布的均勻程度，Vau越接近100%，表明前池各出口斷面水流軸向流速分布越均勻，根據文獻[14]，其計算公式為：

(1)

(2)前池各出口斷面速度加權平均角度。速度加權平均角度是衡量前池各出口斷面上橫向流速的重要物理量，前池出口斷面若出現縱向流速則會影響進水流道的水力性能，進而改變水泵進水條件。為此引入速度加權平均角度θ來衡量，θ值越接近90°，出口水流越接近垂直于出口斷面，水泵的進水條件越好，根據文獻[15]，其計算公式為：

(2)

式中：θ為前池各出口斷面速度加權平均角度；Vti為前池各出口斷面各計算單元的橫向速度。

3.2 橫斷面流態分析

圖4(a)及圖5(a)為計算得到的原始方案的前池面層和底層流線圖，可以看出，進入前池后，受側向進水的影響，前池內水流整體趨勢向右側有一定角度的偏斜，且有小部分水流在前池左側角落形成回流，特別是在閘站結合部隔墩處形成了立面大尺度回旋，流態紊亂，隔墩右側1號進水流道前有明顯的旋渦，這極大地影響了1號進水流道進水條件，從而導致水泵產生汽蝕、振動、效率下降。

針對原方案前池內隔墩附近不良流態，采取方案1所示措施，面層和底層流線圖如圖4(b)及圖5(b)，在1號與2號前池間加設一條長導流墩，可以發現，長導流墩能起到導流作用，底層1號進水流道前水流流態明顯改善，同時減小了面層閘站結合部隔墩處的旋渦的范圍。但是此時在2號進水流道前面層出現了大范圍的旋渦，底層進水流道前出現大尺度回流區，流態紊亂，對2號進水流道進口影響很大，降低水泵效率。

針對方案1產生的問題，采取方案2的改進措施，將方案1中長導流墩的頭部改為圓弧形，取導流墩頭部圓弧半徑為R，且圓弧段水平投影長度與隔墩圓弧半徑R相同，面層和底層流線圖如圖4(c)及圖5(c)?？梢园l現，圓弧形導流墩能更好地起到導流的作用，1號進水流道前水流趨于平順，面層只有小范圍的旋渦，底層進水流道前趨于均勻分布，但2號進水流道前仍存在小范圍的回流區。

為探討隔墩圓弧半徑R與導流墩半徑的聯系，方案3即將方案2中導流墩頭部圓弧形半徑取為1.2R，面層和底層流線圖如圖4(d)及圖5(d)，可以發現，面層與底層流線圖與方案2面層流線大體一致，1號進水流道前水流流態較好，但2號進水前池前面層仍存在小范圍的旋渦。

圖4 各方案面層流線圖(單位：m/s)Fig.4 Streamlines on surface planes for each scheme

圖5 各方案底層流線圖(單位：m/s)Fig.5 Streamlines on bottom planes for each scheme

方案4、方案5、方案6分別是將方案2中導流墩頭部圓弧形半徑取為1.4R、1.6R、1.8R，面層與底層流線如圖4(e)與圖5(e)、圖4(f)與圖5(f)、圖4(g)與圖5(g)，可以發現，面層閘站結合部隔墩處的旋渦范圍逐漸增大，且導流墩右側2號進水流道前也存在明顯的旋渦，底層2號進水流道前偏流現象加劇，水流分布不均勻。

各方案下橫斷面流線圖的分析，說明當導流墩頭部圓弧形半徑取為(1.0～1.2)R時隔墩附近的前池內流態最平順，此時靠近隔墩的1號與2號進水流道進水條件最好。但隨著導流墩頭部圓弧半徑的增大，隔墩附近前池內流態沒有得到明顯的改善。

3.3 縱斷面數值分析

從原方案的數值模擬結果可以看出，閘站結合部隔墩處前池內有明顯的旋渦，對1號和2號進水流道影響較大，導致1號進水流道前的水流流態較差，從而影響水泵進口條件。此外，前池內的水流漩渦容易造成泥沙淤積，因此，為確保泵站的安全高效運行，針對旋渦產生的大小和范圍，對導流墩的尺寸開展研究，來達到消渦改善隔墩處水流流態的目的。

圖6為原方案進水流道進口斷面上的軸向速度分布均勻度圖，可以發現，1號進水流道與2號進水流道軸向流速均勻度相差最大，其他各出口斷面軸向流速均勻度相差較小，且1號進水流道進口斷面軸向流速均勻度最小，由此也可以說明靠近隔墩處前池內流態最差。由于原方案4號～10號出口流態較好，斷面軸向均勻度都在70%左右，且本文主要研究閘站結合部隔墩與導流墩尺寸之間的聯系，所以重點對措施方案中1號與3號進水流道進口斷面進行了縱斷面數值分析。

圖6 原方案進水流道進口斷面上的軸向速度分布均勻度Fig.6 Axial velocity uniformity on section of passage intake for original scheme

表2為原方案及各種方案下1號、2號、3號進水流道進口斷面上的軸向速度分布均勻度，計算結果表明，方案2的1～3號進水流道軸向速度分布均勻度最高，方案3次之，故圖7僅給出了原方案、方案2及方案3的1～3號進水流道進口斷面的軸向速度云圖。通過對比可知：原方案1號進水流道進口斷面高速區發生偏移，偏向斷面左側，且同一斷面上不同區域流速相差較大，左側流速整體高于右側，閘站結合部隔墩附近的1號進水流道進口斷面上的軸向速度分布均勻度最低，僅為66.56%，速度分布十分不均勻，原方案2號進水流道高速區左右對稱分布，偏向斷面上方，速度分布較均勻，原方案3號進水流道高速區偏向斷面右側，斷面各區域速度相差不大。采用了方案2后，1號進水流道進口斷面得到了明顯的改善，高速區向斷面中心偏移，且與原方案相比，1號進水流道斷面各區域的速度相差較小，此時2號進水流道進口高速區向斷面左側偏移，但3號進水流道高速區向斷面中心偏移。方案3中1～3號進水流道進口斷面軸向速度分布與方案2的趨勢基本一致。設置整流方案2及整流方案3后，1號進水流道進口斷面上的軸向速度均勻度分別提高了3.63%和3.27%，3號進水流道進口斷面上的軸向速度均勻度分別提高了4.61%和4.47%，雖然2號進水流道進口斷面上的軸向速度均勻度有所降低，但整體來講，結合圖8，比較各整流方案下的前池出口的加權平均角可以發現，方案2中各進水流道進口斷面加權平均角最接近90°，因此，在閘站結合部隔墩處1號與2號進水流道間加設圓弧形導流墩能夠改善前池流態，且方案2的整流方案稍優于整流方案3，明顯優于其他方案。

表2 各方案進水流道進口斷面上的軸向速度分布均勻度 %

3.4 綜合結果分析

考慮泵站的綜合效益和產出，取各整流方案的1～10號機組的各前池出口斷面的平均軸向流速均勻度和平均速度加權平均角度，平均即是將10臺機組的流速均勻度或加權平均角相加后求平均，其值最大說明泵站水泵可以獲得相對較好的進流條件。平均流速均勻度如圖9所示，平均加權平均角如圖10所示。通過分析可知始終是方案2最優，方案3次之。

4 結 語

本文采用CFX軟件，分析了閘站結合式泵站的前池流態，主要研究在前池內加設長導流墩的整流措施，并分別對端部為不同半徑的圓弧形導流墩進行了數值模擬，得到結論如下。

(1)非對稱式閘站結合式泵站，水流斜向進入前池，在閘站結合部隔墩附近即1號進水流道前池內有明顯的旋渦，影響水泵進口條件，對泵站安全運行不利。

(2)采用頭部為圓弧形導流墩的整流措施，能引導水流平順入流，達到消除旋渦和改善流態的作用，且在保證導流墩頭部圓弧段水平投影長度與隔墩半徑R相等時，導流墩圓弧半徑取(1.0～1.2)R時1號進水流道進口斷面軸向速度均勻度最高，提高了3.63%，整流效果最理想。

(3)就此工程而言，在閘站結合部隔墩附近1號與2號進水流道間加設一條頭部為圓弧形的導流墩能明顯改善1號及3號進水流道進口斷面上的流速分布，但會降低2號進水流道的軸向速度分布均勻度，要解決此問題還有待進一步的研究。

(4)不同閘站結合式泵站前池的設計尺寸會有不同，但本文得出的閘站結合部隔墩與前池導流墩整流效果的定量分析可為改善泵站的進水條件提供參考依據。

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