基于三維流場模擬的泵站改造對水力特征影響研究

朱 萱，蔣 婉

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005)

泵站作為水利樞紐工程中重要引水、調(diào)水設(shè)施[1- 2]，其動力運營可靠性與水利流量、水力參數(shù)有關(guān)[3- 4]，但也與泵站工程的泥沙淤積、動水沖刷等密切相關(guān)[5]。因而，研究泵站設(shè)計，需要考慮三維流場，也需考慮其水沙演變特性。陳洋[6]、王鐵力等[7]、秦鐘建等[8]供、調(diào)水模型建設(shè)角度考慮，設(shè)計開展了泵站室內(nèi)模型試驗，分析了清水、渾水等工況下泵站運行現(xiàn)狀，探討了不同因素對泵站運營效率影響，特別是對泵站進、出水池的泥沙淤積影響。當(dāng)然，泥沙淤積是威脅泵站運行的較大不穩(wěn)定因素，蘇正洋等[9]、徐存東等[10]針對防泥沙淤積等技術(shù)開展了分析，如設(shè)計開展了挑流底坎、導(dǎo)流墩、壓水板等多種構(gòu)造措施，為泵站設(shè)計、改造及運營提供技術(shù)依據(jù)。泵站不穩(wěn)定運營很大程度上與其三維流場影響有關(guān)，因而吳阮彬[11]、梁巧茵等[12]、劉菊蓮[13]采用MIKE 21、Flow 3D、Fluent等流場計算方法，開展了泵站運行工況下池內(nèi)流場影響特征分析，研究了泵站內(nèi)流速分布、矢量特征及泥沙含量等，為工程建設(shè)提供了參照。本文為探討淮沭新河上游二河水庫引水泵站的改造升級，采用三維流場計算方法，開展了泵站前池結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化下流場及水沙演變特征分析，為工程改造升級提供依據(jù)。

1 工程建模分析

1.1 工程概況

淮沭新河乃是蘇北地區(qū)重要人工灌溉、供水、防洪排澇的水利通道，其依靠上游洪澤湖二河水庫多座梯級水閘調(diào)控，確保下游新河輸水干渠、引水道等支渠輸水安全。二河水庫具備防洪、引水、泄流等多方面水利功能，總庫容為1800萬m3，其與下游淮沭新河各水利設(shè)施的布設(shè)平面如圖1所示。

圖1 水庫溢洪道平面布置

下游引水泵站為二河水庫發(fā)揮灌溉水利功能的重要載體，其設(shè)計流量為36m3/s，而該設(shè)計流量能否達(dá)標(biāo)很大程度上依賴于上游溢洪道的泄流消能，設(shè)計揚程為3.02～6.5m，配置6臺運營泵機，年輸水量超過1000萬m3。

通過分析新河上游引水泵站工程水力特性發(fā)現(xiàn)，由于上游挾沙水流影響下，泵站出渠段水流仍具備一定紊動能，且由于運營年限及溢洪道控流等因素，導(dǎo)致進水段及前池等區(qū)段泥沙淤積嚴(yán)重，監(jiān)控最大含沙量可達(dá)6.5kg/m3，其運營現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 泵站運營現(xiàn)狀泥沙淤積嚴(yán)重

為此，管理部門考慮對該泵站樞紐開展維護改造，確保進入下游新河水位滿足運營要求。

1.2 建模分析

為改善該泵站泥沙淤積現(xiàn)狀，本文以泵站前池為改造設(shè)計研究對象。采用UG建模平臺建立泵站前池結(jié)構(gòu)幾何模型，包括前池、進水池、泵閘及出水通道等模塊，全軸長距離為15m，泵站前池現(xiàn)狀設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 泵站前池現(xiàn)狀設(shè)計方案

為解決泵站前池泥沙淤積問題，計劃在前池進水通道與導(dǎo)流池設(shè)置人工分隔，減少泵機受泥沙卷積影響，基于進水通道底面坡度設(shè)定的2種分隔墩方案如圖4所示。

圖4 改造升級后2種前池方案

A、B 2種方案的底面斜坡坡度有所差異，分別為1/5、1/6

根據(jù)改造設(shè)計方案，采用Fluent三維流場模擬平臺對各泵站前池方案進行網(wǎng)格離散化[13]，獲得各設(shè)計方案的計算模型，如圖5所示。

圖5 計算模型

基于泵站水頭損失平衡性，泵站前池原設(shè)計方案共有網(wǎng)格單元362864個，節(jié)點數(shù)338247個，而前池改進A方案網(wǎng)格單元、節(jié)點數(shù)分別為428614個、382946個，而B方案有微單元體386795個，節(jié)點數(shù)364729個。計算模型均采用四面體本構(gòu)微單元。

模型計算工況設(shè)定為上游溢洪道泄流量100m3/s，引水流量設(shè)定為300m3/s，將6臺泵機中的1臺設(shè)置為備用機，其余5臺泵機按照設(shè)計功率運行，單臺機組工作流量為60m3/s。模型輸入端按照三相場設(shè)定，出口考慮液相狀態(tài)，為流速邊界條件；泥沙中值粒徑為0.06mm，輸入挾沙水流含沙量為5kg/m3。基于上述工況，計算分析各方案泵站前池內(nèi)三維流場及水沙演變特征，為該泵站設(shè)計優(yōu)化提供參照。

2 流場影響特征分析

2.1 流速特征

改造設(shè)計泵站前池結(jié)構(gòu)，模擬計算了前池內(nèi)三維流場特征，泵站前池3個設(shè)計方案的各斷面流速變化特征如圖6所示。

圖6 各方案前池沿程斷面流速特征

由圖6可知，原方案流速水平最低，泵站前池結(jié)構(gòu)改造升級后流速水平均高于原方案，如在特征斷面4m處原方案流速為0.43m/s，而改造升級后的A、B方案同斷面流速較前者分別增長了67.6%、91.4%；由前池各斷面平均流速也可看出，在原方案中為0.41m/s，而A、B方案平均流速較之分別增長了51.2%、104.9%，而從前池結(jié)構(gòu)整體斷面流速對比來看，A、B方案流速較之原方案的增幅分別為28.6%～73.8%、83.7%～129.3%。分析認(rèn)為，增設(shè)前池進水通道斜坡及分隔墩后，可減少泵機間的動水沖擊及水力勢能的耗散功，因而水流動水勢能增大，流速水平提高，利于前池結(jié)構(gòu)排沙、沖沙。另一方面，從流速變化特征來看，原方案峰、谷流速分別位于斷面8.5、10m處，而在改造升級后A、B方案的峰值流速所在斷面均得到提前，分別位于斷面4、7m處，而谷值流速分別位于斷面10、13m處；相比原方案，改造升級后方案峰、谷流速所在斷面距離加大了，具有較大的緩沖區(qū)段，對水流沖沙排淤具有正面作用[14- 15]。同時，原方案流速水平整體較低，因而流速波幅不大，但改造升級后A方案具有顯著流速波幅階段，位于斷面4～10m處，最大波幅達(dá)16.2%，該區(qū)段內(nèi)易產(chǎn)生渦旋、紊流等，造成前池內(nèi)水力沖刷過大，影響結(jié)構(gòu)運營壽命，但在斜坡坡度減小后，B方案整體流速波幅接近原方案，且流速水平維持在較高狀態(tài)，最大波幅不超過8%。綜合流速影響分析，前池內(nèi)流場一方面需考慮流速量值水平，但不可忽視其穩(wěn)定性，綜合分析以B方案運營優(yōu)勢最大。

2.2 壓強特征

改造升級前池后池內(nèi)壓強變化特征如圖7所示。

圖7 各方案前池沿程斷面壓強特征

分析可知，與流速變化類似，A、B方案壓強均高于原方案，且增幅分布分別為35.6%～122.4%、55.9%～101.9%，表明改造升級后前池內(nèi)壓強活動增大，對挾沙水流的控制、降沙更有利。從壓強變化特征來看，原方案中壓強呈先增后減變化，且第一階段的增幅相比較緩，位于斷面1～8.5m內(nèi)，各斷面間壓強平均增幅為7.1%，而在斷面8.5m后出現(xiàn)壓強降低段，整體降幅約為18.1%，平均降幅為4.8%。相比原方案，改造后的A、B方案壓強均為遞增變化，全斷面上分別具有平均增幅3.3%、7.3%，即以B方案壓強變化受前池斷面距離影響敏感度更高；同時，2個改造方案間增幅也有差異，A方案全過程增幅具有“快增-緩增”2個階段，其中第一階段位于斷面1～10m處，平均增幅為5.4%，該階段內(nèi)水力活動較活躍，但超過斷面10m后，受限于進水通道坡度因素，其壓強增幅變緩，甚至在斷面11.5m后低于B方案壓強值。分析認(rèn)為，進水通道坡度的限制會對泵機有效提水、增強動水勢能產(chǎn)生影響，特別是在接近前池渠尾處；合理的斜坡坡度，可控制靜水壓強穩(wěn)定增幅，全斷面水力活動穩(wěn)定，易于泵機長期常態(tài)化運營。

3 水沙演變特征分析

泥沙淤積狀態(tài)乃是泵站前池改造升級效果的體現(xiàn)，本文基于Fluent二相場水沙模擬，獲得不同運營期內(nèi)3個方案前池內(nèi)含沙量變化特征，如圖8所示。

圖8 泵站前池內(nèi)含沙量變化特征

觀測含沙量變化可知，運營期與含沙量具有正相關(guān)變化特性；在原方案中，運營期100d下斷面1.5m處含沙量為1.18kg/m3，而運營期為400d、1000d下該斷面含沙量分別增大了58.4%、2倍，整體來看每梯次運營期300d的增幅，可引起該斷面含沙量增長44.7%。從整體變幅來看，每梯次300d的運營期下，原方案斷面含沙量的平均增幅為43.3%，而改造升級的A、B方案下的平均增幅分別為38.5%、32.5%，由此可知，改造升級后的方案斷面含沙量受運營期影響弱于原方案，且以B方案在長久運營期的排沙、降沙效果最顯著。從相同運營期的含沙量變化對比來看，B方案中斷面含沙量水平最低，在運營期400d時，其含沙量分布為0.7～1.86kg/m3，與A方案、原方案的差幅分布為32%～46%、50%～61%，特別在運營期增大，B方案與其他2個方案含沙量差幅增大，在運營期1000d時差幅分布為37.8%～49.5%、53.6%～78.6%。分析含沙量在斷面演變過程可知，原方案中增幅最顯著，在100d、700d時各斷面間含沙量增幅分別達(dá)12.1%、8.6%，而A、B方案在運營期700d增幅分別為5.9%、4.7%。另一方面，原方案含沙量在沿程斷面增幅具有2個階段特征，且該現(xiàn)象隨運營期增大更顯著，臨界斷面為7.5m處，在該斷面上游區(qū)段內(nèi)，含沙量的增幅相比較緩，但超過該斷面后增幅快速增長。從前池結(jié)構(gòu)改造效果來看，A、B方案對含沙量的限制效果較佳，有助于減少前池泥沙淤積及泵站泥沙沖刷損耗[16- 17]。

4 結(jié)論

(1)改造升級后前池斷面流速均高于原方案，改造后A、B方案平均流速較原方案分別增長了51.2%、104.9%；改造后方案峰、谷流速所在位置間距加大；A方案流速具有波幅段，B方案整體波幅較小，且流速水平整體較高。

(2)改造方案前池壓強高于原方案；原方案池內(nèi)壓強在斷面8.5m處產(chǎn)生增、減轉(zhuǎn)變，改造方案壓強均為遞增，但A方案的增幅分為快、慢2個階段特征，在斷面11.5m后壓強值甚至低于B方案。

(3)運營期與含沙量具有正相關(guān)，每梯次300d的運營期，原方案、A、B方案斷面含沙量平均增幅分別為43.3%、38.5%、32.5%；以B方案含沙量為最低。