清污機橋墩位置對劉老澗抽水站水力特性的影響研究

周亞軍，陳 懿，陶思遠

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024 )

0 引 言

為清除附著在攔污柵上的雜物，泵站一般會布置清污機，清污機架設在橋墩上，對于多機組泵站，各流道內均需架設清污機橋墩。若清污機橋墩過度靠近進水流道，會對進水流態產生一定的影響，除此之外，由于水草等污雜物的堵塞，造成水泵進水流道兩側進口水位不等，明顯加大了水泵的提水揚程，消耗電機功率，降低水泵裝置效率，誘發水泵機組振動，影響泵站的安全與穩定運行[1]。本文所述側向進水劉老澗抽水站在遠離泵房的引渠中設計清污機橋和安裝清污設備，為水泵提供良好的進水條件。

目前，有一些學者對前池進水池的不良流場進行過整流研究[2-4]，例如文獻[5]中通過布置導流墩的方法改善進水流道進口斷面上的流速分布，文獻[6]中通過對前池的模擬給出了底坎整流形式，底坎高度為水深1/3時整流效果較好，除此之外文獻[7-10]也通過不同形式的整流方法、組合型整流措施等對泵站前池進水池流動特性進行了優化。但是目前對于架設清污機橋后影響泵站水力特性研究的論文相對較少，并且本文所述泵站屬于側向進水泵站，水流經50°大角度拐彎進入引渠直段后會產生復雜的流動，因此，引渠中清污機橋墩的布置位置的選定需要數據論證，基于此，結合引渠和前池等進水條件的現場調查，根據泵站進水設計水工布置的現狀，通過數值模擬的方法進行引渠流動特性分析，比較分析不同清污機橋墩布置位置對泵站水力特性的影響研究，為相關的工程設計提供一定的參考。

1 計算模型及數值模擬

1.1 數值模擬范圍

本文數值模擬范圍從引渠彎段進口開始，到簸箕形進水流道出口延伸段結束，包括如下6個部分。

(1)彎段進水部分。彎段河道為劉老澗進水條件數值計算的進口段，從京杭大運河取水，梯形斷面，底寬60 m，邊坡系數m=1∶2.5，河底高程為11.5 m，經50度拐彎后與引渠直段相接。

(2)引渠直段部分。引渠直段部分上游與彎段進水部分相接，下游與泵站前池相連，斷面為梯形，河底寬度保持不變，河底高程為11.5 m，底寬60 m，邊坡系數m=1∶2.5。

(3) 前池部分。前池上接引渠直段，長度35 m，邊坡系數m=1∶2.5，采用=1∶10底坡，河底高程從11.5 m逐漸下降到8.0 m。

(4) 翼墻及隔墩部分。由于采用了圓弧形直立重力式擋土墻，翼墻及隔墩部分的進口兩側為弧形，底部高程8.0 m，直接與矩形隔墩部分相連，內設泵房中隔墩延伸段和簸箕形進水流道中隔墩的延伸段，進口呈15°角后傾。

(5)簸箕形進水流道部分。簸箕形進水流道與翼墻及隔墩部分相連。

(6)出口延伸段。進水流道出口延伸段為同心圓管，是根據數值計算需要設置的，目的是使得計算域的出口遠離進水流道的出口，使水流得到充分發展，保證其流動狀態不再影響數值計算結果。

1.2 泵站基本參數

在該泵站CFD數值計算過程中，采用與實驗室中進水建筑物水工模型試驗相同的方法，根據相似換算，計算采用模型進水設計，開展CFD仿真計算與流態分析和性能預測，在提高計算精度和計算效率的同時，也便于與相關類似的水工模型試驗結果進行對比。

如圖1所示，為該泵站平面圖，按平面圖建立三維幾何，包括引渠、前池、簸箕形進水流道與出口延伸段。在該抽水站進水設計數值分析中，除了在Z方向上給出了不同水深處的引渠水平剖面的流態，還在X和Y方向上抽取了許多引渠和進水流道中的典型剖面進行流場分析，為敘述方便，圖1給出了這些典型剖面的位置示意圖。X坐標的正方向指向出水側，Y坐標的正方向指向南方，Z坐標的正方向從渠底指向水面。在X方向上，選取了引渠彎段結束的直段進口斷面、前池進口斷面、前池出口斷面和流道進口斷面。在Y方向上，分別選取了對應于每個進水流道左右中間對稱的兩個剖面，依次為南一至南八。在Z方向上，對應于設計水位15.85 m工況，給出了水面下0.5、2.0、4.0、5.0 m和距渠底0.5 m深剖面上的流場。圖2為增設清污機橋墩平面布置圖。

圖1 該抽水站進水設計典型剖面示意圖

圖2 清污機橋橋墩布置示意圖

1.3 湍流模型及邊界條件

對于泵站前池、進水池模擬，參考文獻[11]后選擇標準k-ε模型配合標準壁面函數進行模擬。采用水力損失衡量網格無關性，經網格無關性檢查后確定水力損失不隨網格增加再發生改變后確定網格總數。考慮到標準壁面函數對y+的要求30～300，考慮此對網格進行劃分，經計算后各部件最大y+約為210，滿足使用標準壁面函數要求[11]。

(1) 進口邊界條件。在泵站進水建筑物內部流動三維紊流數值計算中，計算區域的進口設置在引渠進口，按速度條件給出。

(2)出口邊界條件。計算流場的出口設置在離進水流道出口足夠遠處的直管上，按出流條件給定，并假定計算域出口截面上流動方向的坐標是局部單向的，流動已充分發展，下游流動不再對上游產生任何影響。即：

(1)

(3)固壁邊界條件。引渠的邊壁和底部、前池邊壁和底部、翼墻、隔墩、進水流道的壁面等均按固壁處理，滿足不滑移條件。采用壁面函數法處理近壁區的紊流流動，從而避免將紊流模型直接用到近壁區，在黏性底層內不布置任何節點，壁面上的切應力仍然按第一個內節點與壁面上的速度之差計算，以減少計算機內存占用和提高計算效率。

(4)自由水面。進水池的自由水面上通常有風成剪切應力，還有與大氣層的熱交換等，物理機制相當復雜。本文忽略風所引起的自由水面上的切應力及與大氣層的熱交換，自由水面的速度和紊動能均按對稱平面處理，紊動能耗散率則按計算單元的中心至自由表面的距離及該單元的紊動能量來確定。

1.4 水力設計優化評價指標

(1)軸向流速分布均勻度。軸向流速分布均勻度采用式(3)進行計算：

(2)

(2)加權平均偏流角。加權平均偏流角采用式(3)進行計算：

(3)

式中：uai為進水流道進口斷面上計算單元的軸向流速；n為進水流道進口斷面上的計算單元數；uti為進水流道進口斷面上計算單元的切向流速；n為進水流道進口斷面上的計算單元數。

2 結果分析

2.1 無清污機橋墩數值模擬結果

2.1.1 進水流道流場分析

圖3給出了數值計算獲得的引渠設計水位15.85 m、泵站抽水流量為157 m3/s工況下從引渠直段開始的水體質點跡線圖，描述了從引渠入口向流道流動的過程中，可清楚地看到水體質點的軌跡和速度變化情況。圖3表明，水體在經過引渠直段進入前池后，由于水體向泵站進口匯聚，在前池和翼墻兩側形成了低速回流區，南北兩側的回流區基本對稱。

圖3 引渠水位15.85 m水體質點軌跡圖

2.1.2 進水流道水力特性分析

(1)流道進口斷面流速分布特性。表1給出了該抽水站簸箕形進水流道進口斷面的流速分布特性，從進口斷面軸向流速分布均勻性和入口偏流角兩方面來講，雖然數值比較的差異很小，但南端第一臺機組對應的進水流道的水力性能相對較差，原因是引渠進口段彎道的影響，前池主流偏向北側。

表1 進水流道進口斷面流速分布特性比較

(2)進水流道水力損失。該抽水站4臺機組對應的簸箕形進水流道的水力損失平均值為0.183 m。在全泵站引渠進水條件下，顯然沒有單獨進行的水泵裝置全流道數值計算或模型試驗中的進水條件好，與相同流量下的水力損失相比，此時的流道水力損失增大0.015 m。

2.2 增設清污機橋后數值模擬結果

如圖4為橋墩距前池翼墻進口分別為55、90、130、160 m等不同距離平面圖，清污機橋墩距前池翼墻進口的距離為55 m時，清污機橋墩十分靠近前池進口；當清污機橋墩距前池翼墻進口的距離達到160 m時，清污機橋墩已接近引渠直段進口。

2.2.1 進水流道流場分析

從圖5可看到，由于在引渠中設置清污機橋，橋墩對水體運行形成阻礙，在橋墩的迎水面流速升高，兩橋墩之間的流速明顯升高，進入前池后又降低，直到進入進水流道向出水口流動時，流速又不斷升高；由于橋墩的影響，在橋墩的下游形成了較長的尾跡，一直延伸進泵站前池。又由于泵站前池直立翼墻90度轉彎收縮的原因，在前池的兩側有大區域的回流區。清污機橋墩距前池翼墻進口為90 m時，與55 m時的情況相比，引渠中的清污機橋墩對泵站進水流態有所改善，但橋墩引起的尾跡仍然影響泵站前池流態；隨著清污機橋向彎段方向移動，離泵站翼墻的距離越來越遠，清污機橋墩引起的進水流態變化對泵站進水條件的影響越來越弱。

圖4 清污機橋墩不同布置形式

圖5 水體質點軌跡圖

2.2.2 進水流道水力特性分析

表2、表3給出了在進水池水位15.85 m、泵站抽水流量達157 m3/s、清污機橋距泵站翼墻進口55、90 m計算工況下，劉老澗抽水站簸箕形進水流道進口斷面的流速分布特性。

表2 55 m計算工況下進水流道進口斷面流速分布特性比較

表3 90 m計算工況下進水流道進口斷面流速分布特性比較

比較表1與表2、表3可看到，由于引渠中清污機橋的加入，橋墩對流態的影響也反映到流道的進口流場中，流道進口斷面軸向流速分布均勻性變差，但在相同工況下，清污機橋設置在距泵站翼墻進口90 m時的流場，較55 m時有一定的改善，此時，流道進口斷面軸向流速分布均勻度均值為83.23%，加權平均流角均值增加到19.726°。

2.2.3 進水流道水力損失

根據劉老澗抽水站進水設計數值計算結果，可應用后處理程序，抽取出四臺機組對應的4個簸箕形進水流道進、出口斷面上計算結點的流速值和壓力值，應用伯努里方程，即可計算出該流量下的進水流道的水力損失值。計算結果見表4。

表4 水力損失匯總表 m

結果表明，在相同的進水條件下，隨著清污機橋距泵站翼墻進口距離增大，劉老澗抽水站4臺機組對應的簸箕形進水流道的水力損失平均值逐漸減小。與引渠中沒有清污機橋時相比，流道平均水力損失增大量也逐漸減小，清污機橋距泵站翼墻進口為160 m時，清污機橋墩對流道進水流態和水力損失的影響已經十分輕微，表明清污機橋的增加對泵站進水條件的影響已基本消失。

3 結 論

(1)當清污機橋墩距前池翼墻進口為55 m時，引渠中的清污機橋墩對泵站進水流態影響顯著。進水流道出口斷面軸向流速分布均勻度均值為92.61%，加權平均流角均值為3.542°；簸箕形進水流道的平均水力損失從無清污機橋時的0.183 m增大到0.206 m。

(2)當清污機橋墩距前池翼墻進口為90 m時，與間距55 m時的情況相比，引渠中的清污機橋墩對泵站進水流態有所改善。流道出口斷面軸向流速分布均勻度均值為93.01%，加權平均流角均值為3.434°；簸箕形進水流道的平均水力損失為0.200 m。

(3)隨著清污機橋向彎段方向移動，離泵站翼墻的距離越來越遠，清污機橋墩引起的進水流態變化對泵站進水條件的影響越來越弱。數值計算表明，當清污機橋距泵站翼墻的距離達到160 m時，4臺水泵機組簸箕形進水流道的平均水力損失已降低到0.171 m；隨著清污機橋逐漸向泵站下游移動，簸箕形進水流道流態持續得到改進，表明清污機橋的增加對泵站進水條件的影響已基本消失。

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