大型泵站進(jìn)出水流態(tài)優(yōu)化與方案優(yōu)選

劉永剛，李學(xué)德，華 臻，吳 政

(1.江陰市長涇水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214400； 2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；3.江陰市水利工程公司，江蘇 江陰 214400； 4.江陰市新橋水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214400)

1 工程背景

某新建大型泵站(三站)單向引水泵站，設(shè)計流量為340 m3/s，選用8臺立式混流泵機(jī)組(7用1備)，單機(jī)設(shè)計流量為48.6 m3/s，主水泵葉輪直徑3 800 mm，配7 000 kW立式電機(jī)8臺套，總裝機(jī)容量56 000 kW。包括主站身、下游清污機(jī)橋、上游鐵路橋下防護(hù)等。主站身與徐宿淮鹽高鐵橋之間距離為560 m，與下游清污機(jī)橋距離為56 m。泵站等級規(guī)模為大(Ⅰ)型，主要建筑物等級為1級。

三站可研階段設(shè)計兩工程布置方案參考比較。方案一：在現(xiàn)有睢寧二站西側(cè)新建睢寧三站，三站中心線與二站中心線夾角約為43°，兩站站身之間的距離約為170 m，泵站與徐宿淮鹽高鐵橋距離約為560 m；泵站采用90°側(cè)向進(jìn)水、約50°角側(cè)向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，工程位置見圖1。方案二：在現(xiàn)有二站西側(cè)新建三站，三站中心線與二站中心線平行，兩站中心線之間的距離約為170 m，泵站與徐宿淮鹽高鐵橋距離約為570 m；泵站采用正向進(jìn)水、90°角側(cè)向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，工程位置見圖2。

方案一泵站進(jìn)水側(cè)與引河正交，方案二泵站進(jìn)水側(cè)與引河成一定角度斜交，方案二泵站進(jìn)水條件基于工程經(jīng)驗(yàn)下優(yōu)于方案一。方案一、方案二泵站出水條件僅評工程經(jīng)驗(yàn)難以評價各方案出水條件。綜上所述，為了提高泵站水泵機(jī)組效率，防止出現(xiàn)泵站進(jìn)出水出現(xiàn)大尺度漩渦等不良流態(tài)，故該泵站可研設(shè)計方案采用CFD數(shù)值模擬評價方案一、方案二泵站進(jìn)出水條件的優(yōu)劣。

2 相關(guān)規(guī)定綜述

為保證水流流向泵站機(jī)組的過程中能夠平順擴(kuò)散，為泵站機(jī)組提供良好的流態(tài)，泵站進(jìn)水一般采用正向進(jìn)水；當(dāng)泵站進(jìn)水為側(cè)向進(jìn)水或者斜向進(jìn)水需要采取工程措施[1]。泵站出水水流要平順穩(wěn)定，流速一般不超過2 m/s，在水流匯集過程中不發(fā)生劇烈碰撞及水面雍高等現(xiàn)象，滿足防沖穩(wěn)流的要求，不能影響其他水工建筑物正常運(yùn)行，必要時采取相關(guān)整流措施進(jìn)行水力優(yōu)化[2-5]。

3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)可研方案布置，該站主要總體布置為引渠、進(jìn)水池、站身、出水池。

泵站引渠：三站與二站共用引渠，需擴(kuò)挖原二站站下引渠。由于場地位置的限制，新建睢寧三站進(jìn)水直線段長度僅為200 m，故需降低引渠流速來優(yōu)化泵站進(jìn)水流態(tài)，最低運(yùn)行水位工況下流速約為0.53 m/s。

泵站進(jìn)水池：緊靠主泵房站下布置，采用兩側(cè)直立墻結(jié)合鋼筋混凝土護(hù)底防護(hù)，與泵站站身等寬，墻后采用1∶3邊坡至地面高程23.00 m。

泵站出水池：受泵站主站身北側(cè)約500 m徐宿淮鹽高鐵橋限制，泵站出水池及出水渠均采用直立墻擋墻結(jié)構(gòu)型式與徐宿淮鹽高鐵橋橋下出水渠銜接，東側(cè)出水池與二站出水池西側(cè)新建雙排灌注樁墻銜接。

根據(jù)可研方案中泵站工程建筑物及河道布置情況，按照1∶1(單位：m)比例，建立水流三維數(shù)學(xué)模型，其中進(jìn)水引渠長度大于5倍水面寬，滿足規(guī)范要求。

4 計算設(shè)置

4.1 控制方程

該泵站工程水流流動區(qū)域三維數(shù)值模擬采用三維雷諾時均N-S方程來描述其不可壓縮湍流流動，方程式如下:

連續(xù)性方程：

雷諾時均N-S方程：

式中：ρ為流體密度；t為時間；ui(i=x，y，z)速度沿i方向的分量；p為壓力；v為流體的運(yùn)動黏性系數(shù)。

4.2 可實(shí)現(xiàn)k-e模型方程

計算湍流模型選擇realizable k-e方程，對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)、二次流有很好的表現(xiàn)。

4.3 邊界條件設(shè)置

進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口；出口設(shè)置為自由出流，水流與空氣接觸面為剛蓋假定，其余壁面均設(shè)為無滑移壁面條件，設(shè)定參考大氣壓力為1 atm。所有邊壁均設(shè)為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 泵站進(jìn)出水水流流場分析

計算工況采用徐洪河設(shè)計輸水水位，泵站上游水位21.63 m，下游水位13.03 m，泵站設(shè)計流量340 m3/s。

5.1 方案一計算結(jié)果

進(jìn)水側(cè)：當(dāng)引河下游閘門關(guān)閉，泵站為側(cè)向進(jìn)水，引河彎道水流以較大彎道曲率形式進(jìn)入進(jìn)水池，彎道水流外側(cè)出現(xiàn)大尺度回流和死水區(qū)，回流流速范圍0.1～0.2 m/s，死水區(qū)流速范圍0～0.1 m/s；彎道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)小范圍回流，回流流速范圍0.1～0.45 m/s之間，彎道主流流速0.5 m/s左右，最大流速0.7 m/s以上。水流流態(tài)、流速分布具體詳見圖3、圖4。

圖3 方案一泵站進(jìn)水流態(tài)分布云圖

圖4 方案一泵站進(jìn)水流速分布云圖

出水側(cè)：泵站出水側(cè)與一站、二站共用較大面域出水池，泵站出水流態(tài)平順，無不良流態(tài)，3個站單獨(dú)運(yùn)行出水池不出現(xiàn)大尺度漩渦。泵站出水池主流流速0.4 m/s左右，最大主流0.7 m/s左右，對出水池兩岸不造成嚴(yán)重水流沖刷。綜上，該泵站出水池設(shè)計合理，水流平順，流速分布較為均勻，水流流態(tài)、流速分布具體詳見圖5、圖6。

圖5 方案一泵站出水流態(tài)分布云圖

圖6 方案一泵站出水流速分布云圖

5.2 方案二計算結(jié)果

進(jìn)水側(cè)：當(dāng)引河下游閘門關(guān)閉，泵站為側(cè)向進(jìn)水，引河彎道水流以較小彎道曲率形式進(jìn)入進(jìn)水池，彎道水流外側(cè)出現(xiàn)大尺度回流和死水區(qū)，回流流速范圍0.1～0.2 m/s，死水區(qū)流速范圍0～0.1 m/s；彎道主流流速0.55 m/s左右，彎道內(nèi)流態(tài)平順，流速分布均勻；水流流態(tài)、流速分布具體詳見圖7、圖8。

出水側(cè)：泵站出水右側(cè)大弧度岸墻形成大面域出水池，泵站出水水流形成彎道水流，主流流速0.4 m/s左右，在一站、二站不開機(jī)情況下出水池中會形成大尺度漩渦。該泵站出水池土方開挖量大，投資高，另外3個泵站單獨(dú)運(yùn)行時會在池中形成大尺度漩渦等不良流態(tài)。水流流態(tài)、流速分布具體詳見圖9、圖10。

圖7 方案二泵站進(jìn)水流態(tài)分布云圖

圖8 方案二泵站進(jìn)水流速分布云圖

5.3 方案優(yōu)化

方案一泵站側(cè)向進(jìn)水，進(jìn)水時彎道水流曲率大，彎道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)小范圍回流；方案二泵站正向進(jìn)水，進(jìn)水時彎道水流曲率小，彎道內(nèi)流態(tài)平順，流速分布均勻。方案一泵站出水流態(tài)平順，無不良流態(tài)，3個站單獨(dú)運(yùn)行出水池不出現(xiàn)大尺度漩渦針；方案二泵站泵站出水水流形成彎道水流，3個泵站單獨(dú)運(yùn)行時會在池中形成大尺度漩渦等不良流態(tài)，且該出水池土方開挖量大，投資高。針對方案一、方案二泵站進(jìn)出水的優(yōu)缺點(diǎn)，將各方案優(yōu)點(diǎn)結(jié)合形成方案三。方案三泵站采用正向進(jìn)水、約50°角側(cè)向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，形成最終可研方案。方案三平面布置詳見圖11。

圖9 方案二泵站出水流態(tài)分布云圖

圖10 方案二泵站出水流速分布云圖

圖11 方案三

6 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬分析了該泵站各方案進(jìn)出水水流流態(tài)、流速分布情況，指出各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合各方案優(yōu)點(diǎn)形成最終可研方案，結(jié)論如下：

1) 方案一泵站側(cè)向進(jìn)水，進(jìn)水時彎道水流曲率大，彎道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)小范圍回流；方案二泵站正向進(jìn)水，進(jìn)水時彎道水流曲率小，彎道內(nèi)流態(tài)平順，流速分布均勻。

2) 方案一泵站出水流態(tài)平順，無不良流態(tài)，3個站單獨(dú)運(yùn)行出水池不出現(xiàn)大尺度漩渦針；方案二泵站出水水流形成彎道水流，3個泵站單獨(dú)運(yùn)行時會在池中形成大尺度漩渦等不良流態(tài)，且該出水池土方開挖量大，投資高。

3) 針對方案一、方案二泵站進(jìn)出水的優(yōu)缺點(diǎn)，將各方案優(yōu)點(diǎn)結(jié)合形成方案三。方案三泵站采用正向進(jìn)水、約50°角側(cè)向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，形成最終可研方案。