徐州市柳新一站三維湍流數(shù)值模擬研究

鄒福建 張 楚 李洋洋 董 雷 楊 寧

（1.徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221000 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司徐州分公司 徐州 221000）

1 引言

徐輝[1]、王雪豐[2]、郭磊[2]在對泵站前池流態(tài)的改善措施研究中都提到，側向進水時前池中容易形成回流、漩渦等不良流態(tài)，難以創(chuàng)造出良好的水泵進水條件。經(jīng)過多年的研究，被驗證能夠有效改善側向進水流態(tài)的整流措施概括起來主要有以下幾類：（1）導流柵、導流墩、導流墻整流方式；（2）立柱、底坎、壓水板整流方式；（3）配水孔整流方式等。其中立柱、底坎、壓水板整流方式以“擋”為主，通過調整斷面的水流結構，使水流之間互相摻混，從而在下游不遠處獲得比較均勻的流動。這類整流方法具有很好的適用性，對于彎道流動、擴散流動和其他來流條件較差的流動，都能夠很好地弱化來流中的橫向流速，使下游形成縱向和橫向都比較均勻的流動。

底坎整流是比較常見的整流方法，研究成果和應用實例很多，如馮旭松[3]的《泵站前池底坎整流及坎后流動分析》，徐輝、田家山[4]的《泵站前池回流現(xiàn)象與消除方法的試驗研究》，成立、劉超、周濟人、湯方平[5]的《泵站前池底壩整流數(shù)值模擬研究》，湯正軍[6]的《江都抽水站引河流態(tài)改善的模型試驗》，成立[7]的《泵站進水彎道三維流動分析及流態(tài)改善研究》，史海冰[8]的《長江引水三期取水泵站前池流態(tài)問題的解決方案》等。通過理論分析、模型試驗和模擬計算研究，徐輝等從渦流理論出發(fā)對立柱輔助底坎整流的機理進行了詳細的闡述，并給出底坎的經(jīng)驗設計參數(shù)；馮旭松在縱向二維流動情況下對底坎整流進行理論分析，并對底坎的幾何設計和設置位置提出建議。

實際工程中還常見立柱與底坎組合的整流方法。底坎整流廣為工程采用，具有很好的整流效果，雖然也存在容易導致底坎附近泥沙淤積，增加前池的清淤工作量，淤積后可能改變了前池的流場分布，影響到整流效果等問題，但底坎整流技術具有施工簡單、經(jīng)濟易行、效果顯著、適用性好的特點。本文以柳新一站泵站改造為例，研究泵站側向進水的底坎整流。

2 工程概況

徐州市鄭集河泵站改造工程柳新一號站安裝4臺（套）900ZLB-85 型軸流泵，轉速485r/min，配JSL138-12 155kW 電機，設計流量9.0m3/s，設計凈揚程3.30m，總裝機功率620kW。

表1 柳新一站設計參數(shù)表

圖1 桃園河及泵站段網(wǎng)格剖分圖

圖2 水面流速等值線圖

圖3 水面以下2.5m 流速等值線圖

泵站進水為側向進水。前池兩側為八字形鋼筋混凝土擋土墻，引導水流平順進入進水池。站上出水為正向出水池接穿堤涵洞。

泵站采用塊基型結構，站身現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構均為C25。根據(jù)水泵的結構特點和有關參數(shù)，站身采用濕室型結構，4 臺套機組呈一列式布置。開敞式進水池進水，ω 形后壁，彎管出水。柳新一站設計參數(shù)見表1。

3 側向進水未設計整流措施流態(tài)研究

3.1 泵站樞紐物理模型建構與網(wǎng)格剖分

根據(jù)工程建設站址優(yōu)選的要求，結合徐州市柳新一站站址地形和泵站總體布置，確定泵站樞紐三維湍流數(shù)值模擬物理模型建構范圍包括桃園河段和泵站段。為合理給定出口邊界條件，將計算區(qū)域的進出口斷面向外適當延伸。桃園河及泵站段網(wǎng)格剖分圖見圖1。

3.2 計算結果與分析

本研究利用流體動力學通用計算軟件Fluent，基于雷諾平均N-S 方程和標準k-ε 雙方程湍流模型對柳新一站進行了三維數(shù)值模擬計算。計算按設計水位、流量進行，即站下設計水位為31.0m，河底及進水池底高程為28.0m，水深3.0m，泵站流量為9.0m3/s。

為方便分析和直觀反映流場情況，在計算區(qū)域中選取一些特征斷面。其中水平特征斷面包括：水面、水面以下1.5m 平面、水面以下2.5m 平面。

從圖2、圖3 中可見，由于側向進水，水流極不穩(wěn)定，前池中流速分布不均勻，不同高程上的也不盡相同。四個進水池中的流速都不均勻、不對稱，流態(tài)差，流量分配不均勻，不能為水泵創(chuàng)造良好的進水條件。

垂直特征斷面流速分布云圖上同樣可見前池前端的高速水流區(qū)和低速回漩區(qū)。從進水池的中心縱剖面流速分布圖上可見四個進水池內的水流狀態(tài)不相同，流量分配不均勻。同時還可見水流在各剖面的垂直方向上也不穩(wěn)定，流速波動很大。

4 整流方案設計研究

4.1 整流方案設計

根據(jù)馮旭松的《泵站前池底坎整流及坎后流動分析》一文建議和其他相關研究經(jīng)驗，本研究提出2 個初步方案進行模擬仿真計算，并通過對計算結果的分析，將選擇出最優(yōu)方案。底坎結構、尺寸與位置見圖4。

4.2 成果分析

為方便分析和直觀反映流場情況，在計算區(qū)域中選取一些特征斷面。其中水平特征斷面包括：水面、水面以下1.5m 平面、水面以下2.5m 平面。各水平特征斷面流速分布見圖5、圖6。

從水平面流速分布圖可見：利用底坎人為地造成坎后立面漩滾，破壞平面回流，通過坎后水流充分紊動擴散，從而在底坎下游不遠處獲得比較均勻的流動；前池中無大面積回漩，進水池中的流態(tài)得到一定程度的改善。從垂直特征斷面流速分布云圖上可見：底坎下游出現(xiàn)立面漩滾，水流有明顯的分離區(qū)、再附區(qū)和發(fā)展區(qū)；但進水池中的水流條件卻得到一定改善，四個進水池中的流速分布相似性提高，每個進水池中水流對稱性也有改善，說明底坎起到一定整流作用。

圖4 底坎結構、尺寸圖

圖5 z 方向垂直斷面流速分布云圖（1#方案）

圖6 z 方向垂直斷面流速分布云圖（2#方案）

根據(jù)以上分析，1#方案整流效果最佳，因此初步?jīng)Q定選用1#底坎方案進行下一步驗算。

5 結論

（1）運用三維湍流數(shù)值模擬技術，對江蘇省徐州市柳新一站側向進水前池的水流運動進行了研究，對比分析了2 個底坎整流方案，優(yōu)選出最優(yōu)方案。結果表明，底坎具有明顯的整流效果，可改善前池中的流態(tài)。

（2）經(jīng)對比分析，1#方案在設計水位和設計流量條件下，整流效果最佳。其主要參數(shù)為：坎高H=0.275H水深=0.65m。

（3）在站下最低水位時，站下水深為2.3m，此時坎高H=0.391H最小水深，在《泵站前池底坎整流及坎后流動分析》一文建議的整流底坎坎高范圍內，泵站仍可正常運行。

（4）建議選用1#底坎整流方案，結合原有平面設計，可改善柳新一站進水流態(tài)，為水泵創(chuàng)造較好的進水條件■