大寨河閘站對稱分布機組進水水流數(shù)值模擬

吳佩鋒，周慶連，丁 浩，王振華，徐 靜

(1.江陰水利局，江蘇 江陰 214400； 2.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 連云港 222006； 3.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127； 4.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007)

1 概 述

隨著近幾年我國水利建設(shè)速度的不斷加快，中小型水利建筑物得到快速發(fā)展。閘站建筑物中，泵站與水閘是通過隔流墩隔開，其中泵站前池作用是為了保證水流從引水渠流向進水池的過程中能夠平順擴散，為進水池提供良好流態(tài)[1-3]。《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB 50265-2010)要求泵站進水流態(tài)良好，滿足水泵進水要求，且便于清淤和管理維護[2]。閘站隔流墩會導(dǎo)致泵站邊機組側(cè)產(chǎn)生較大回流，降低泵站邊機組運行效率，甚至加大泵站機組振動噪聲。為減小閘站隔流墩泵站邊機組回流的影響，須對閘站多機組泵站與水閘布置形式進行研究，本文擬采用CFD數(shù)值模擬方法，分析閘站布置形式進水流態(tài)的影響。

2 工程概況

大寨河閘站工程位于大寨河入新濉河口門處，閘站工程在新濉河行洪時具有擋洪功能，建設(shè)地點選在新濉河右堤位置。大寨河擬建位置河底寬約15 m，河坡坡比1∶2，河堤頂高程約17.5～19.0 m，左堤外為綠化區(qū)，右堤外為農(nóng)田。考慮大寨河河勢條件和現(xiàn)場地形，節(jié)制閘布置在河道中心線上，節(jié)制閘設(shè)計過閘流量73.2 m3/s；泵站分別布置在節(jié)制閘兩側(cè)，北側(cè)2臺機組結(jié)合引水流量7.0 m3/s，采用立軸式機組配X形流道的雙向泵站，雙向泵站一用一備，南側(cè)2臺機組為立軸式機組單向泵站，泵站排澇流量29.1 m3/s。考慮大寨河右堤外為農(nóng)田，為避免占用農(nóng)田，控制室布置在左岸，檢修間布置在右岸，排澇時使用全部機組，引水時使用左岸2臺機組。大寨河閘站布置見圖1。

3 數(shù)學(xué)模型

大寨河閘站節(jié)制閘布置在河道中心線上，泵站分別布置在節(jié)制閘兩側(cè)，閘室凈寬12 m；閘站每側(cè)布置2臺機組，凈寬5 m，共4臺機組；河道河底寬40 m，河底高程9.0 m(廢黃河高程，下同)，河道邊坡1∶3。根據(jù)地涵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，其中河道長度大于5倍水面寬，滿足規(guī)范要求。見圖2。

4 計算設(shè)置

4.1 控制方程

該閘站工程水流流動區(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)為速度沿i方向的分量；p為壓力；v為流體的運動黏性系數(shù)。

4.2 可實現(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、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強流線彎曲、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

進口設(shè)置為速度進口；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1atm。所有邊壁均設(shè)為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 結(jié)果分析

計算工況考慮泵站排澇設(shè)計水位工況(節(jié)制閘關(guān)閉)，即大寨河側(cè)(上游)水位14.00 m，新濉河側(cè)(下游)水位16.90 m，泵站排澇設(shè)計流量29.1 m3/s。

圖3為該閘站表流平面流態(tài)結(jié)果分布圖。引水前池水流流態(tài)較為平順，無回流等不良流態(tài)，引水口兩側(cè)5倍水面寬長度內(nèi)主流流速范圍在0.1～0.2 m/s。水流在節(jié)制閘內(nèi)形成大尺度回流，回流流速為0.1 m/s左右。節(jié)制閘左右兩側(cè)機組水流流態(tài)分布較為均勻，靠近節(jié)制閘兩側(cè)機組有很小的回流，對泵站進水影響很小，可忽略不計；兩側(cè)邊機組流態(tài)非常均勻，對泵站進水幾乎無任何不利因素。圖3計算結(jié)果表明，該閘站節(jié)制閘居中布置且兩側(cè)各布置兩臺泵站機組，有利于水流平穩(wěn)進入泵站機組流道，機組內(nèi)無不良流態(tài)，閘站平面布置合理。

圖3 平面流態(tài)分布結(jié)果云圖

圖4為該泵站機組流道進口流速分布結(jié)果云圖。節(jié)制閘兩側(cè)邊機組流速分布均勻，主流流速范圍在0.28～0.3 m/s以內(nèi)，且?guī)缀鯘M堂分布。靠近節(jié)制閘的兩側(cè)機組流道進口最大流速分布范圍為0.3～0.34 m/s之間，最小流速分布范圍為0.14～0.34 m/s之間，流速分布均勻度不如兩側(cè)邊機組，但幾乎不影響機組運行效率。

圖4 泵站機組流道進口流速分布結(jié)果云圖

綜上所述，引水前池水流流態(tài)較為平順，無回流等不良流態(tài)；節(jié)制閘內(nèi)形成大尺度回流，節(jié)制閘左右兩側(cè)機組無不良水流流態(tài)；各機組流道進口流速分布較為均勻。該閘站節(jié)制閘居中布置且兩側(cè)各布置兩臺泵站機組，有利于水流平穩(wěn)進入泵站機組流道，機組內(nèi)無不良流態(tài)，閘站平面布置合理。

6 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬，分析了泵站機組對稱布置對進水流態(tài)、流速分布的影響，結(jié)論如下：

1) 閘站引水前池水流流態(tài)較為平順，無回流等不良流態(tài)。

2) 閘站各機組流道進口流速分布較為均勻。

3) 閘站節(jié)制閘居中布置且兩側(cè)各布置兩臺泵站機組，有利于水流平穩(wěn)進入泵站機組流道，機組內(nèi)無不良流態(tài)，閘站平面布置合理。