泵站進水池翼型導流板整流特性數值模擬

2021-09-14 07:18:48雷帥浩

水利水電科技進展 2021年4期

羅燦，雷帥浩，陳鋒，劉浩，成立

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009； 2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川成都 610039；3.常州市城市防洪工程管理處，江蘇常州 213000； 4.鎮(zhèn)江新區(qū)水利站，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

截至2019年底，全國已建成中小型泵站占流量1 m3/s以上或裝機功率50 kW及以上泵站的比例超過99%[1]。對于中小型泵站而言，其進水絕大多數采用的是進水池。泵站有正向進水和側向兩種進水方式。受工程布置條件限制時，往往采用側向進水，進水條件欠佳，進水池常伴有旋渦、回流等不良流態(tài)[2]，需要采取適當的整流措施。常見的整流措施有：①導流板[3]、導流墩[4-6]、導流柵[7-8]等導流措施，該種措施可以平順地引導水流轉向，明顯改善池內水流流速分布，消除大尺度的回旋區(qū)，提高水流均勻性；②底坎[6,9-11]和立柱[12-14]，其中底坎常用于前池整流，立柱的設置可以有效地破壞進水旋渦，使得水流重新分配；③壓水板[15]，該措施常設置在運行水位附近，通過約束面層水流，迫使面流和底流摻混，流速得以重新分布，進而改善池內流態(tài)，同時還能起到一定的消除池內淤積的作用。本文在前人的基礎上，借鑒壓水板擠壓水流的原理，提出了一種翼型導流板，該翼型導流板利用挑流原理，使水流流速重新分布，進而改善水流流態(tài)。該研究一方面有助于拓寬整流思路，另一方面也可被同類泵站借鑒和采納。

1 計算域及數值模擬方法

由于工程實際，某泵站將船閘和泵站合建，船閘航道同時作為泵站前池。為保證泵站正常運行，上閘首處于常開狀態(tài)，航道即為泵站的前池，該泵站為典型的閘站式側向進水泵站。為改善池內不良流態(tài)，考慮到前池作為航道，必須保證船舶通航條件通暢，不合適布置整流措施，故將整流措施設置于進水池內。圖1為該泵站原型計算域示意圖，包括前池、進水池和吸水管。該站共有4臺軸流式水泵機組，單機流量1.5 m3/s，設計流量6 m3/s，設計進水管直徑D=1 m，水深4D，進水池長9.5D，寬3D，喇叭管進口直徑1.4D，懸空高與后壁距均為D。此外，兩側機組各有1個空置進水池作為擴容備用。

圖1 計算域示意圖

采用適應性強的非結構化網格對計算域進行了整體網格離散。為了避免網格可能對計算結果造成干擾，開展了網格無關性分析，選取進出口的水力損失作為特征參數，計算相鄰網格方案的相對誤差，結果表明：當網格數量超過183.1萬時，水力損失誤差在±2%以內，該網格數量滿足計算要求。

通過計算該流動中的雷諾數，同時不考慮水的可壓縮性，判定該泵站池內的流動為復雜的不可壓縮紊流流動。基于RANS方程，采用Realizablek-ε湍流模型和SIMPLEC算法進行求解[10]，獲取計算域全流場數據。進口取前池入口處，流量為6 m3/s。出口取吸水管出口側，設置為自由出流，參考壓力為0.1 MPa。壁面設置為wall，采取scalable壁面函數對壁面處理。液面為自由水面，設為對稱邊界條件。

2 研究方案

2.1 特征斷面選取

如圖1所示，選取4個斷面研究各方案進水池的流態(tài)。斷面1—1距自由水面的距離為0.4D，用來分析進水池上層流態(tài)；斷面2—2距自由水面的距離為2D，用來分析進水池中層流態(tài)；斷面3—3距進水池底板的距離為0.4D，用來分析進水池下層流態(tài)；斷面4—4距進水池后壁的距離為2.5D，用來分析吸水管前的流態(tài)。

2.2 方案設計

針對原方案(即無整流措施)進水池內存在的回流等不良流態(tài)，本文提出在進水池進口附近設置翼型導流板進行整流，翼型選用標準的NACA0012翼型，其弦長Lc=1D，最大厚度W=0.18D，如圖2所示，圖中翼型導流板參數分為幾何結構參數和位置參數兩類，幾何結構參數有Lc、W和仰角α，位置參數有進口距L和距深比d′，其中進口距L指翼型導流板前緣距進水池進口的距離，距深比d′指翼型導流板的間距d和池內水深H的比值(當選用1個翼型導流板時，距深比d′指翼型導流板距池底的距離和池內水深的比值)。

圖2 進水池內導流板布置

為了研究翼型導流板的幾何結構參數和位置參數對進水池流態(tài)的影響，設計了等水平正交試驗，其中試驗因素有進口距A、仰角B和距深比C(表1)，各因素水平為4。方案設計詳見表2，其中翼型導流板L16(45)正交方案設計為表2中的方案1～16。

表1 翼型導流板因素及水平

表2 方案設計及試驗結果

注：考慮各方案下各進水池軸向流速均勻度和速度加權平均角不盡相同，為了綜合分析各方案的整流效果，特選取每種方案下4個進水池特征斷面4—4軸向流速均勻度和速度加權平均角的平均值作為流態(tài)評價指標。

3 整流效果分析

3.1 流態(tài)評價指標

一般而言，需要從流線分布和特征流動參數兩方面進行流態(tài)的定性和定量分析。本文采用軸向速度分布均勻度Vau和軸向速度加權平均角θ對流態(tài)進行定量分析。軸向速度分布均勻度Vau用于評價特征斷面上軸向流速的分布均勻程度，其數值越接近100%，斷面流速分布越均勻；速度加權平均角θ則是斷面軸向速度與斷面的夾角，其數值越接近90°，流動平順性越好[16]。其中，軸向速度分布均勻度的計算為

式中：vai為斷面各節(jié)點軸向速度；va為斷面平均軸向速度；n為節(jié)點數。

3.2 正交試驗分析

計算各方案進水池縱剖面的軸向流速分布均勻度和速度加權平均角，將其列于表2中。采用直觀分析法，對正交方案計算結果進行分析，得到試驗因素的主次順序及優(yōu)化方案，計算結果分析見表3和表4。表中Ki為第i行對應的計算結果之和；ki為第i行所得計算結果的算數平均值；R為極差。

表3 軸向流速分布均勻度正交試驗分析 %

表4 速度加權平均角正交試驗分析 (°)

從表3和表4可以看出，各列的極差完全不同，說明各因素的水平對指標的影響不一，極差越大，說明該因素對指標的影響作用越大，其對應因素即為主要因素。無論是軸向流速分布均勻度還是速度加權平均角，C因素均為最主要的因素，其次為B因素，最后為A因素，即翼型導流板距深比對流態(tài)影響最大，其次為仰角，進口距對流態(tài)影響較小。此外，空列極差均小于3個因素的極差，這說明3個因素之間不存在不可忽略的交互作用。對于不同的指標，優(yōu)化方案的選擇完全不同，將軸向速度分布均勻度作為對比指標，因素主次排序為C、B、A，優(yōu)化方案為方案4(進口距1D，仰角25°，距深比1.25)，其次為方案17(進口距2.5D，仰角25°，距深比1.25)，而將速度加權平均角作為對比指標，因素主次排序依然為C、B、A，優(yōu)化方案為方案18(進口距2D，仰角10°，距深比0.5)。

圖3為各指標趨勢圖，從中更直觀地發(fā)現：對于兩種流態(tài)評價指標，進口距2D均是其趨勢線的拐點，當進口距小于2D時，軸向速度分布均勻度有隨進口距增加而減小的趨勢，速度加權平均角則隨進口距增加而增加；軸向速度分布均勻度隨仰角和個數增加而增加，速度加權平均角變化趨勢完全相反；當進口距為1D，仰角為25°，距深比為1.25時軸向速度分布均勻度最大，其次是進口距為2.5D，仰角為25°，距深比為1.25時；當進口距為2D，仰角為10°，距深比為0.5時速度加權平均角最大。

圖3 各指標趨勢

選取具有代表性的方案4、5、12、17與原方案進行對比，分析進水池三維渦帶分布圖，進而定性分析各指標趨勢線的拐點現象，如圖4所示。

圖4 進水池渦分布

從圖4(a)不難看出：原方案下，1號進水池存在大尺度的渦，從進口持續(xù)到吸水管，從底層持續(xù)到面層，其中，立面渦約占該進水池一半的區(qū)域，斷面4—4近一半多的區(qū)域被立面渦包圍；2號進水池渦相比1號進水池范圍縮小一半，從進口持續(xù)到吸水管，從底層持續(xù)到面層，斷面4—4約30%的區(qū)域被立面渦包圍；3號進水池立面渦尺寸明顯減小，僅在進口和吸水管進水側存在，斷面4—4較小范圍被立面渦包圍；4號進水池立面渦大大縮小，僅存在于進水池進水側上層，斷面4—4很小范圍被立面渦包圍。從圖4(b)～(e)明顯發(fā)現：①對于1號進水池，翼型導流板前立面渦尺度與其進口距成正比關系，立面渦經過翼型導流板后變?yōu)楦降诇u，附底渦持續(xù)到吸水管附近，在進口距L=2D之前，附底渦尺度隨進口距的增加單調遞增，但當進口距超過2D后，其變化趨勢剛好相反，與圖3進口距對進水池流態(tài)指標影響趨勢一致；當進口距L=1D時，翼型導流板從渦的前端完全破壞了此渦，水流經翼型導流板重新分布流速后，進水池底部存在充分發(fā)展的小尺度附底渦，斷面4—4附近附底渦尺度最??；當進口距L=1.5D時，翼型導流板從渦的前中部破壞了該渦，一般充分發(fā)展的附底渦尺度與方案4相比有所增大，尤其在斷面4—4附近最為明顯；當進口距L=2D時，翼型導流板從渦的中部破壞了該渦，較充分發(fā)展的附底渦尺度與方案5相比明顯增大，其中斷面4—4附近附底渦變大趨勢最為明顯；當進口距L=2.5D時，翼型導流板從渦的后部開始破壞，重新分布的流速距吸水管過近，由于喇叭口的吸束作用，附底渦未得到充分發(fā)展就進入吸水管，部分發(fā)展的附底渦尺度較方案4大、方案5和方案12小，尤其在斷面4—4附近最為明顯。②對于2號進水池，翼型導流板前立面渦尺度與1號進水池變化趨勢一致，經過翼型導流板后僅在翼型導流板下表面、后緣以及后壁處存在小的渦團；③對于3號和4號進水池，進水池內立面渦均消失，翼型導流板附近和后壁處存在小的渦團。故圖3出現了拐點現象。

3.3 斷面流態(tài)分析

從表3和圖3中不難發(fā)現，不同指標對應的優(yōu)化方案完全不同，為了進一步確定進水池整流的最佳措施，并對正交試驗進行驗證，這時考慮各優(yōu)化方案及原方案下進水池的橫斷面流態(tài)。

圖5為進水池面層流態(tài)，可以發(fā)現：原方案下，1號進水池近一半的區(qū)域存在大尺度的旋渦(圖中紅色線框)，主流嚴重偏向進水池右側，2號進水池左側進口附近有回旋區(qū)，主流整體偏右，后壁存在繞流，3號進水池進口左側有回旋區(qū)，后壁有小范圍的旋渦，4號進水池流線分布均勻對稱，后壁有較大范圍的旋渦；方案4下，進水池回旋區(qū)消失，流線分布均勻，僅在進水管后面和1號進水池進口附近形成小范圍旋渦，流態(tài)整體很好；方案17下，1號進水池回旋區(qū)減少90%左右，左側進口附近存在有橫向流速，2號和3號進水池左側回旋區(qū)完全消失；方案18下，1號進水池流態(tài)得到改善，回旋區(qū)減少30%左右，2號進水池流態(tài)無明顯變化，3號進水池左側回旋區(qū)消失，3號和4號進水池后壁處有小范圍旋渦。從進水池面層流態(tài)明顯看出，方案4下的進水池流態(tài)最好，流線更均勻對稱。

圖5 進水池面層流態(tài)

圖6為進水池中層流態(tài)，可以發(fā)現：原方案下，1號進水池被大面積的回旋區(qū)占據，回旋范圍相比面層流態(tài)有所擴大，主流嚴重偏右，2號進水池左側存在回旋區(qū)，回流從進口延伸至進水管前端，回旋范圍相比面層流態(tài)略有擴大，主流整體偏右，后壁有繞流存在，3號進水池左側有較小的回旋區(qū)，后壁存在繞流；方案4下，進水池大尺度回旋區(qū)完全消失，流線分布均勻對稱，僅在進水池后壁處和1號進水池進口附近形成小范圍旋渦，整體流態(tài)很好；方案17下，1號進水池回旋區(qū)減少90%左右，2號和3號進水池回旋區(qū)消失，與方案4相比，1號進水池旋渦范圍明顯更大；方案18下，1號進水池回旋區(qū)減少了60%左右，2號和3號進水池左側回旋區(qū)消失，4號進水池后壁有小范圍旋渦，1～3號進水池后壁存在繞流。從進水池中層流態(tài)明顯看出，方案4下的進水池流態(tài)最好，流線分布更均勻對稱。

圖6 進水池中層流態(tài)

圖7為進水池底層流態(tài)，不難發(fā)現：原方案下，1號進水池存在大面積回流區(qū)，回流區(qū)相比面層和中層流態(tài)有所擴大，主流明顯偏右，2號進水池左側存在回旋區(qū)，回流區(qū)相比面層和中層流態(tài)變小，1～3號進水池后壁處流線從進水池右側逆時針旋轉流向進水管，流線分布不對稱；方案4下，1號進水池負流速區(qū)域明顯變小，左側進口附近存在有橫向流速，后壁處流線大部分對稱流向進水管，2號進水池回旋區(qū)消失，后壁處流線基本對稱流向進水管，3號進水池后壁處流線均勻對稱流向進水管；方案17下，1號進水池回旋區(qū)減少60%左右，2號進水池回旋區(qū)減少50%左右，進水池后壁存在小的旋渦；方案18下，1號和2號進水池回旋區(qū)有所減少，后壁流線分布較原方案相對對稱，3號進水池后壁流線分布明顯均勻對稱。從進水池底層流態(tài)明顯看出，方案17下的進水池流態(tài)最好，流線分布更均勻對稱。

圖7 進水池底層流態(tài)

3.4 斷面流速均勻分析

圖8為進水池縱剖面軸向速度云圖。原方案下1～4號進水池左側均存在負流速區(qū)，流速分布嚴重不均，其中1號和2號進水池流態(tài)最差；方案4和方案17下各進水池負流速區(qū)消失，1號和2號進水池流速分布基本均勻，3號和4號進水池流速分布均勻對稱；方案18下1號和2號進水池負流速區(qū)減少了一半之多，但流速分布依舊嚴重不均，3號和4號進水池負流速區(qū)消失，流速分布比較均勻對稱。

圖8 4個進水池縱剖面軸向速度云圖

表5為進水池縱剖面流態(tài)評價指標表。原方案下，各進水池的軸向速度分布均勻度不高，平均為76.84%，縱斷面速度加權平均角平均值為72.5°；方案4下，軸向速度分布均勻度極大，最大提高至91.36%，平均提高了13.36%，提高率為17.4%，而縱斷面速度加權平均角有所下降，平均減少了5.37°，下降率為7.9%；方案17下，軸向速度分布均勻度明顯提高，平均提高了11.35%，相比方案4少提高2.01%，而縱斷面速度加權平均角有所下降，平均減少了4.35°，相比方案4少減少1.02°；方案18下，軸向速度分布均勻度有所提高，平均提高了3.17%，而縱斷面速度加權平均角略有下降，平均減少了1.48°。綜合考慮縱剖面速度云圖及流態(tài)評價指標表，不難看出，方案4整流效果最為明顯。

表5 4個進水池縱剖面流態(tài)評價指標

綜合考慮斷面流態(tài)和斷面流速均勻性，明顯看出方案4整流效果最為明顯。為了進一步分析方案4的整流特性，特選取流態(tài)最差的1號進水池，截取其回流區(qū)渦核中心進行流態(tài)研究，該截面距進水管中心線0.8D，圖9為進水池立面渦圖(y=0處為進水池進口)。無整流措施下，1號進水池存在大尺度的立面渦(圖中紅色線框區(qū)域)，旋渦中心距進水池進口5.3D，距池底0.6D，對進水管附近的流態(tài)影響較大。設置翼型導流板后，流態(tài)明顯改善，立面渦范圍明顯縮小一半之多，旋渦強度中心向前移動2.2D，向上移動0.1D，旋渦明顯提前，對進水管附近的流態(tài)影響較小。