單側向泵站進水前池流態數值模擬與改善

韓 峰，梁金棟

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

泵站進水建筑物通常包含引渠、前池及進水池，前池流態影響水泵運行性能的發揮及泵站安全運行，工程設計時應予以高度重視。泵站進水分正向和側向兩種，正向進水泵站往往容易獲得良好的流態，側向進水時，進水池、引河軸線形成一定角度，將不可避免地發生大尺度回旋、斷面流速分布不均勻等等不良流態[1-3]。回流區的存在會引起泥沙淤積，同時會導致進水池流態紊亂，降低水泵運行效率，甚至引起機組振動，影響安全運行。為改善前池流態，工程上可采用修建導流墻[4]、設置導流柵以及修建底坎[5,6]等措施。本文結合徐州市某灌溉泵站進行研究，該泵站為單側向進水，現場運行前池流態較差，存在面積較大的回流區，進水池進口水流偏斜嚴重，特別是靠引河側機組，進水池隔墩頭部出現旋渦，電機功率及運行噪聲明顯高于其他機組。

前池流態改善研究通常采用模型試驗法及數值模擬法。模型試驗方法具有直觀、形象的特點，但需要消耗很多的人力和物力，研究的周期長，研究的方案也受到限制。隨著計算機技術及數值計算方法的不斷改進，三維紊流數值模擬方法已越來越多地應用于前池流態研究[3-5,8,11]。

1 數值模擬計算

1.1 控制方程

大型泵站前池三維湍流數值計算的控制方程，包括連續性方程、動量方程以及k-ε湍流模型中的k方程和ε方程[2,3]。

1.2 三維幾何模型

徐州市某泵站為單側向進水泵站，引河與泵站軸線夾角約為105°，平面布置如圖1所示。該站共安裝5臺1300ZLB-5-6型立式軸流泵，采用進水池進水。單泵設計流量為5 m3/s，泵站設計流量為25 m3/s，站下設計水位13.5 m，設計凈揚程5.2 m。通過商務軟件NX 9.0進行實體建模，包含引渠、前池及進水池，三維模型如圖2所示。

本文主要研究前池流態，考慮到水泵葉輪旋轉對進水池流動影響很小[7]，為減小計算工作量，本次未對水泵進行模擬，代以進水直管，但對原水泵吸水喇叭管進行了模擬。

圖1 模擬區域平面圖

圖2 模擬區域三維圖

1.3 邊界條件設定

計算機仿真分析中，邊界條件設定對結果的精度和可信度有重要影響，本文以泵站的設計參數為依據，邊界條件的具體設定如下：①進口邊界：引渠進水口設定靜壓進口，壓力值為1 atm；②自由水面：前池、進水池表面為自由水面，忽略空氣對水面產生的切應力及熱交換，采取對稱邊界處理[8,9]；③固體壁面：引河，前池，進水池的邊壁均設為無滑移的壁面；④出口邊界：出口設置在水泵進水管，設定為質量流出口，單泵流量為5 000 kg/s，總流量25 000 kg/s。計算步數設為1 000 步，收斂精度設為10-5。

1.4 網格無關性檢驗

由于模型邊界復雜，采用了非結構化網格劃分生成三維網格。網格總數從180萬開始遞增至400萬，發現網格數量達到約300萬后同一模型數值模擬的流速均勻度結果相差控制在2%以內，本文后續的計算取網格總數336萬左右。

2 無整流措施時的流態分析

圖3為泵站在設計水位工況運行時的前池水流表面狀態。由圖可見，因前池出現回流，前池漂浮物集中于靠來流側的進水池前部，占前池總面積40%以上。圖4為無整流措施時泵站運行前池面層的三維跡線圖。由圖4可見，前池內存在3個較大范圍的回流區，其中彎道處及進水池右側前部的回流范圍較大，旋轉強度也較大。進水池左側翼墻前部的斜坡位置回流范圍較小，旋轉強度也明顯較弱。前池內主流受回流區的壓迫明顯偏向左側，右側進水池進口流態產生偏斜，以最右側機組最為嚴重。對比圖3 、圖4，計算結果與現狀運行狀態基本吻合。

圖3 泵站實際運行流態圖

圖4 原始方案三維流線圖

3 工程措施對前池流態改善的數值計算

無整流措施時泵站前池流態紊亂、回流區面積較大，應采取適當的工程措施加以改善。

3.1 方案設計

該工程為彎道進水，屬于單側向進水。根據對前池內無整流措施時的流態分析，結合文獻[2,3,5,8]，該工程擬采用導流墩或導流柵措施進行流態改善。當水流流過導流柵時，由于柵條產生的水動力反作用于水體，使得水體向內壁傾斜，從而抵消了慣性力的部分影響，限制了彎道內側水體的擴散效應，能有效消除脫流區。同時導流柵還可以從結構上防止斷面上的二次回流，抑制前池中的螺旋流動[2]。表1所列為用于分析比較的3種整流措施。

表1 整流方案設計

圖5 整流方案示意圖

3.2 整流方案前池流態

圖6(a)、(b)、(c)分別為方案1、方案2、方案3底層流態跡線圖，圖7(a)、(b)、(c)分別為對應的面層跡線圖。

圖6 底層流態跡線圖

圖7 面層流態跡線圖

3.2.1 前池流動跡線圖分析

由圖6及圖7可見：方案1在面層對前池兩翼回流區面積壓縮有限，且導流柵處引發了新的回流區；底層回流區面積壓縮較為明顯，但導流柵處的回流區面積仍較大。方案2在面層對前池兩翼回流區面積的壓縮效果相對方案1提升明顯，底層回流區幾乎消失，跡線也更為順直。方案3不僅面層對前池兩翼的回流區壓縮最為明顯，底層跡線也最為順直。

3.2.2 進水池處流速分布均勻度分析

為了定量分析前池流態，本文引入進水池進口斷面流速分布均勻度這一指標進行評價[11,12]。面積加權流速分布均勻度Vuna的計算公式為：

(1)

如圖8，水流流速均勻度計算斷面位于進水流道內。根據公式(1)計算出包括無整流措施方案在內的4個方案的流速分布均勻度見表2。由表2可知，無整流措施時泵站進口的均勻度最差，僅為79.6%。在3種整流措施方案中，方案1流速均勻度最好，較原始方案高出11.3%，方案2的流速均勻度較原始方案高出5.6%，方案3的流速均勻度較原始方案高出9.8%。

圖8 斷面位置示意圖

3.2.3 綜合分析

綜合比較3種整流方案的跡線圖和泵站進口處流速分布 均勻度，方案1僅在引河與前池交界處設置一導流墩，流速分布均勻度最佳，但對于前池回流區的抑制效果甚微，并在導流墩處產生了新的回流區。方案2在彎道處設置一組導流柵并緊接一底坎，抑制前池回流區的表現優于方案1，但流速分布均勻度為三方案中最小。方案3在方案2的基礎上于進水池前增設了一組導流墻，該方案對前池回流區抑制效果最好，流速分布均勻度與方案1基本相當，優于方案2，綜合效果最佳。

表2 流速分布均勻度計算結果

4 結 語

應用CFD技術，分析了某單側向進水泵站的前池流態，基于三維紊流數值模擬，得出以下結論：

(1)單側向進水泵站的前池流態紊亂幾乎不可避免，有必要采取工程措施進行流態改善，以保證泵站安全、經濟運行。

(2)在彎道設置單個曲型導流墩對于面積較大的前池效果有限，設置一組多個導流柵能達到較好的效果。

(3)底坎對流態的進一步改善發揮了重要作用，在單側向進水泵站中，相比單獨設置導流柵，采用導流柵與底坎的組合整流方案可以更好地改善流態。

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