泵站進水池水流流態研究

吳阮彬

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

0 引 言

泵站的正常工作直接關系到輸送水流的效率，進水前池對泵站正常工作起到關鍵作用，進水前池可以將水流引導入進水口，其水流流態的穩定是至關重要的。

目前，關于泵站進水池水流流態已經有大量的專家學者開展了相關的研究，并取得豐碩的研究成果。LI 等[1]采用PIV 系統數據分析法，分析得出水流流態的流線、流速、強度、渦度等水流指標，并結合相關案例分析得出最佳的流動條件；SUERICH-GULICK等[2]提出了一種半經驗模型，主要是通過水流內部的流態測算，進而判斷得出渦流的水流特征；TEMMERMAN等[3]采用大渦模擬湍流，利用流體力學的相關理論，分析了流體的速度分布特征，將計算結果與ANSAR與NAKATO的計算結果進行比較，驗證了計算結果的準確性；Yongle等[4]利用大渦模擬技術對某實際水利工程的泵站進水池水流流態進行了相關的研究，采用MAC迭代法，計算得到近壁面流場的最優解；YU等[5]改進了SSTk-γ模型，對比分析了改進后的SSTk-γ模型與SSTk-γ模型，分析得出改進的模型對水流流態具有更好的模擬效果；高傳昌等[6]對超低水位下的進水池模型的水流流態模型進行分析，并進行了優化分析，得到最優解，并結合實際案例進行驗證；資丹等[7]分析了邊界層網格尺度對于泵站水流流態的影響，利用不同的網格尺度進行模擬研究；陸林廣等[8]對某大型水利工程的泵站進行了研究，分析該泵站水流的三維流動及水力損失，并結合實際監測結果進行驗算。

基于前人的研究基礎，本研究擬采用Realizable-ε湍流模型對不同流速的水流建立數值分析模型，分析水流的喇叭管下方速度分布、水流流動特性。

1 計算模型

1.1 控制方程

N-S是流體研究中較為重要的控制方程，在泵站中，進水前池的流動方程為連續性方程，該運動方程為：

(1)

(2)

1.2 邊界條件

對于水流模型的邊界條件設置見表1。

表1 水流模型邊界條件

1.3 網格劃分

網格單元的劃分直接影響流體模擬的精度和計算性能，網格單元劃分較少，模擬的精度較低；網格單元劃分較多，計算所需的資源較多。結構單元劃分為非結構化四面體網格單元，主要是由于泵站的前池進口斷面水流較為復雜，且在局部區域需要對網格單元進行加密處理。計算方法主要采用有限體積法、二階迎風格式隱式求解法、SIMPLEC算法，以達到計算網格單元的離散化、精準度、耦合等作用效果，采用這些計算方法結合的理論基礎更有利于流場單元的耦合。

1.4 建立模型

本研究建立的數值分析模型與原泵站的比例為1∶1，建立模型的參數見表2。取模型中的前池及進水池作為分析對象，網格單元劃分為非結構化網格單元，對于網格的加密，本研究對模型的局部進行加密，分別為擴散角變化處、水泵進水口位置及其周邊位置處。前池的進出口分別為渠道漸變段與前池連接處、進水池水泵進水喇叭口處；對于模型的其它表面，將自由表面簡化為對稱面，而對于非自由表面，將不考慮其表面波動。

表2 模型的參數

1.5 模型驗證

模型的準確性直接關系模型在運行過程中模擬結果的正確性，本研究采用超聲波多普勒流速監測儀，對泵站前池的水流流速進行測量。該監測器具有以下優點：靈敏性能較高，對于非紊流或非均質水流的抗干擾能力強，適用性較強(尤其是超強流以及微弱流與其它儀器對比具有很好的監測效果)，對泵站前池建立直角坐標系，將前池劃分為160個監測模塊，監測點布置見圖1。在每個監測點布置監測傳感器，得到不同深度位置處的傳感器監測值，各測點的流速分布主要為0～1.06 m/s之間，分別將水深為1.0和2.0 m的水流典型特征水流流速監測的結果在相應部位進行擬合，得到水流等流圖，見圖2。

圖1 監測點布置圖

圖2 水流等流圖

由圖2可知，在Ⅰ區域，深度為1 m和深度為2 m時，左側的流速總體上比右側的流速大，對比1 m和水深為2 m的區域，當水深為1 m時流速較小的右側區域到2 m即轉變為靜水狀態；對于區域Ⅱ水深為1 m和2 m的位置流速均較小，且兩個位置均存在漩渦區域，并且以水深為1 m時的水流最為明顯；對于區域Ⅲ，流速較左側較大，但也存在漩渦，且流速越大，低速區的面積越大。對比分析可得，機組打開的區域相較于機組未打開的區域，兩者流速前者較大，且對于側壁位置處的水流，均有明顯的向左側旋流的趨勢，這樣的模擬結果與現場較為吻合。

2 模擬結果分析

2.1 喇叭管下方速度分布分析

將水流模型劃分為3種工況，且3種工況僅存在流量不同的差異，且流量由工況一至工況三逐漸增大。利用Realizable-ε湍流模型測定3種工況下的流速，見圖3。圖3中的Vx、Vy、Vz分別為X、Y、Z方向上的流速，圖3中的Ly代表測點距喇叭口的距離。

分析圖3(a)中的數據可以看出，Vx模擬值與 實測值基本相同，數值之間差別不大，近壁處位置的流速梯度隨著流量的增大呈現出逐漸增大的變化趨勢，對于遠壁處位置的的流速梯度在X方向上變化幅度較大，總體分析，對于工況一-工況三的3種工況，Vx的變化趨勢較為相似；分析圖3(b)中的數據可以看出，Y方向上的流速變化趨勢表現為沿著Y軸先增大再減小，Vy值先為正、再為負，分布于喇叭口測線的兩側，在1/3Ly位置處出現最大值，在3/4Ly位置處出現最小值；分析圖3(c)中的數據可以看出，3種工況下Z方向上的流速變化趨勢基本相同，由于壁面效應的影響，在喇叭口兩側速度逐漸降低。綜合以上分析可以發現，對于利用Realizable-ε湍流模型測定3種工況下流速的模擬值與實測值呈現相同的變化趨勢，模擬工況與實際值吻合效果較好。

圖3 3種工況下的流速模擬結果

2.2 水流流動特性分析

平行水流、垂直水流方向的水流流速分布特征見圖4、圖5。對于前池整個區域，均存在渦流現象，對于渦流主要可以分為3個模塊：靠近進口端、靠近前池中部、前池尾部，3個區域的渦流特征分別為：靠近進口端的渦流較長，是一種較為湍急的渦流，主要分布在進水口兩邊側壁；靠近前池中部的渦流較短，流速分布較為相似，主要分布于取水前池的中部和下部；前池尾部的渦流長度適中，呈現出周期性的分布特征，主要分布于水流的表面，受到下部水流的影響較小。在取水喇叭口位置較為容易出現渦流，渦流的位置主要位于水流方向以及取水喇叭口中心線，渦流的長度逐漸減小，呈現出緩慢變化的變化趨勢。對于右端渦流，搓動現象較為明顯，旋轉方向表現為沿著切向旋轉，并呈現逐漸變大的趨勢，并帶動周邊的水流形成新的渦流帶，該新的渦流帶沿著水流的垂直方向逐漸減弱。在在喇叭口前端位置處，渦流表現為不均勻的變化狀態，在喇叭口前口后部位置處與前池位置處的水流逐漸混雜，表現為向上翻滾的變化趨勢，且水流逐漸傾斜，產生較大的二次沖擊作用力，水流規律性較弱，不同工況的取水口底部渦流的變化趨勢不明顯，這主要是受取水口位置處的水流影響導致的，水流的變化也呈現出動態性和不間斷性，前端取水受前池流態的影響較大。

圖4 平行水流方向的水流流速分布特征

圖5 垂直水流方向的水流流速分布特征

3 結 論

本研究基于Realizable-ε湍流模型對不同流速的水流建立數值分析模型，針對水流的喇叭管下方速度分布、水流流動特性進行分析，主要得到以下結論：

1) 基于Realizable-ε湍流模型與超聲波多普勒流速監測儀，對泵站前池的水流流速進行測量，所得到的結果存在微小的差別，但整體變化趨勢基本相同，Realizable-ε湍流模型的準確度較高。

2) 喇叭口兩側與吸入喇叭口的水流相互影響，出現了較多的渦流，在取水口底部位置處也帶動引起較多湍流，這會對泵站管道的水流產生一定的影響，水流的結構尺寸是一個較為重要的影響因素。

3) 由于進水池兩端側壁的流速比中間的水流流速小，進而引起中間位置出現淤泥，在進行水流模擬過程中未考慮水流淤堵的作用，因而數值模擬分析的流速結果稍大。