基于CFD數值模擬的閘站合建進水池設計研究

張鴻偉

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

泵站進水池是連接前池和水泵進口的過渡段，其主要功能是給水泵提供良好的進水流態[1]。當進水池中出現不良流態時，會明顯降低水泵的裝置效率，情況嚴重的甚至還會引起機組的氣蝕及振動，從而導致機組無法正常工作。目前對于灌排結合或自排與電排合建閘站的地基處理及結構應力的研究成果較多[2- 4]，但對于從水流流態方面進行進水池設計優化的研究較少[5- 6]。考慮到自排或引水功能，水利工程中目前使用最多的是開敞式矩形進水池，這種結構形式其底面高程、寬度、出口側末端的閘門受閘孔水力設計和結構限制，容易造成水泵進口喇叭口懸空高度、側壁及后墻與喇叭管中心之間的距離達不到形成良好流態的要求，從而出現進水池水流流態不穩定的現象。

為消除水泵進口旋渦，部分進水池在水泵喇叭管下方設導水錐等構筑物。但增加水泵的最小淹沒深度或設置較大的導水錐會占用涵閘自流時過水斷面面積和增加局部水頭損失，造成涵閘的過流能力下降，而加寬閘孔寬度又會增加工程投資。因此，有必要對自排與電排相結合閘站進水池的結構設計進行深入研究。本文以下溝電排站自排涵和電排站合建進水池為例，應用CFD(Computational Fluid Dynamics)技術分別對開敞式矩形進水池有無消渦措施的混流泵裝置進行3維數值模擬分析，研究不同的消渦措施對混流泵的裝置性能的影響，為類似工程的進水建筑物優化設計提供參考。

1 概況

1.1 工程概況

蕪湖市鳩江區下九連圩下溝站工程位于蕪湖市鳩江區上下九連圩內無為大堤上，主要承擔大龍灣排區43.82km2的防洪排澇任務。工程排水標準采用20年一遇最大24h暴雨地面不積水，電排設計排水流量為56m3/s；自排涵有枯水期排洪和改善水系水環境的排水要求，設計排水流量41.3m3/s。為減少長江大堤穿堤建筑物數量，按已批復規劃對下溝電排站重建工程排澇站和自排涵合并建設。

排區現狀主要為農田，骨干排河大龍河寬度大約25m，近期排水流量為12.0m3/s；隨著江北新城大龍灣片區的開發建設和大龍河按規劃拓寬至80m，排區排水流量達到設計值。因此，需對電排站按照滿足近期和遠期設計排水流量相結合的原則設計。經方案比選，結合自排閘與電排站合建方案，電排站共設7臺水泵機組，近期由3臺小泵機組排澇，遠期聯合4臺大泵機組排澇。泵房共分3聯，兩側各聯分別安裝2臺葉輪直徑為1880mm立式混流泵(大泵機組)，中間聯結合自排涵閘孔寬度，安裝3臺葉輪直徑為1100mm立式混流水泵(小泵機組)，大泵機組單機設計流量為12.5m3/s，配套電機功率為1600kW；小泵機組單機設計流量為4.0m3/s，配套電機功率為500kW，電排站總裝機功率為7900kW。

1.2 進水池方案設計

經涵閘過流能力計算，擬定涵閘總凈寬12.00m，共3孔，單孔凈寬4.00m，底板面高程-2.30m，水泵出水側箱涵頂面高程1.50m，自排進水池側設計水位4.00m。各閘孔安裝1臺1200HLB4- 7.9型立式半調節混流泵，單泵設計流量4.0m3/s，水泵進口喇叭管直徑(D)1.60m，水泵中心距進水池進口10.30m，距后壁(自排涵閘鋼閘門)11.71m。按照滿足水泵最小淹沒深度要求確定水泵進水喇叭口高程為0.20m(進水池池寬為2.5D、喇叭管中心線與后墻的距離為6.69D、喇叭口中心的懸空高度為1.56D)，進水池主要控制尺寸和喇叭口中心懸空高度等參數部分超出良好水力性能參數范圍[7]，進水池內容易出現旋渦等不良流態。

為減少進水池內消渦構筑物對自排涵過流能力影響，應盡量減少或不設消渦構筑物；為改善進水池水流流態，提高泵裝置效率應設置消渦構筑物。從自排涵過流能力、進水池流態及泵裝置效率3個方面考慮，設計3種進水池比選方案并在后續設計中采用CFD數值模擬進行比選。

方案1：為盡量降低進水池消渦構筑物對自排涵閘過流能力的影響，對進水池喇叭口處底部不做任何改變，方案結構圖如圖1所示。

圖1 進水池方案1

方案2：為改善進水池流態，在喇叭口正下方設置傳統的鑄鐵導水錐，導水錐高度2.5m，底部直徑3.60m，導水錐順水流截面面積2.39m2，方案結構圖如圖2所示。

圖2 進水池方案2

方案3：為改善進水池流態和盡量降低消渦構筑物截面面積，在喇叭口正下方順水流方向設置隔流墻，隔流墻長4.4m，高2.0m，下部寬0.4m，上部寬0.1m，呈線性變化，并在兩端進行修圓，順水流截面面積0.50m2，方案結構圖如圖3所示。

圖3 進水池方案3

2 數值模擬

CFD技術可以得到泵站內任意位置的流動細節如速度、壓力、能量損失、壓力脈動、湍動量和漩渦等，從而可進行水泵裝置的特性預測及性能優化[8]。因此，采用CFD對3個方案的進出水流道內的水流流態進行三維數值模擬計算，并應用數值模擬計算結果指導進水池水工設計方案的比選。

2.1 控制方程和計算方法

CFD計算控制方程為粘性流體力學的動力學方程和湍流力學中的動力學方程。泵站開敞式進水池內水流的流動屬于不可壓縮湍流流動。湍流流動具有高度復雜的三維非穩態、帶旋轉的的不規則運動，湍流中任何物理量總是隨時間和空間在脈動的變化著。本文采用基于不可壓縮的非穩態的連續方程和納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)，以及基于渦團黏性假設的標準k-ε紊流模型方程，利用相關軟件進行流場計算[9]。

2.2 計算物理區

以設計水位對應的工況為分析對象。小泵機組水泵為1200HLB4- 7.9型立式半調節混流泵，單機設計流量為4.0m3/s，進水池寬為4.00m，底板面高程-2.30m，水深5.30m。進水池計算物理區域包含進水池、水泵進口喇叭管等。為研究泵裝置效率，對水泵、出水管、出水流道等區域也進行計算。

2.3 數值模擬邊界條件

計算模型的進口斷面設置在垂直于水流方向的進水池進口處，計算斷面的水流為均勻流，計算進口流速為0.19m/s。計算模型的出口斷面設置在垂直于水流方向的出水流道末端處，采用自由出流邊界條件。

3 進水流道水力性能評價指標

對于閘站合建的進水池，其性能優越的主要評價內容可表述如下：

(1)結構尺寸設計合理，池壁表面平順，在各工況下，池內水流不產生渦帶或其它不良流態。

(2)進水池的各斷面面積沿程變化應盡可能的均勻，出口斷面處的平均流速設計值合理，水壓力較為均勻，能夠將水流平順地導入水泵的進口，為水泵提供良好的進水條件。

(3)盡量減少水力損失。

(4)盡量降低對自排涵自排的影響和滿足水工結構設計等方面的要求[10]。

進水池出口軸向流速分布均勻度：

(1)

入泵水流加權平均角：

(2)

式中，uti—水泵進口斷面各單元的橫向速度，m/s。

4 數值模擬結果及分析

為區分各方案的優劣，對3種進水池設計方案進行數值模擬，在設計流量下對比并分析各方案的內部流態[11- 12]。各方案的三維流線如圖4—6所示。限于篇幅，本文僅給出各方案中間剖面速度云圖，如圖7—9所示。

圖4 方案1三維流線

圖5 方案2三維流線

圖6 方案3三維流線

圖7 方案1中間剖面速度云圖

圖8 方案2中間剖面速度云圖

圖9 方案3中間剖面速度云圖

根據CFD計算結果預測不同方案下進水流道水力性能的評價指標見表1。

涵閘自排時，閘上水位4.00m，設計單孔過閘流量13.70m3/s，根據局部水頭損失計算公式和淹沒壓力流涵洞過流能力計算公式，計算得方案1閘下水位為3.79m。分別代入方案2導水錐參數和方案3隔流墻參數，算得閘上水頭局部損失和自排閘過閘能力影響計算結果見表1。

表1 不同方案性能參數對照表

由上表可知，3種方案的泵裝置性能指標均可以滿足設計要求。方案1無任何削渦措施，會引起池底附底渦和池中漩渦進入水泵進口，導致機組性能下降和產生水力振動。但因進水池中無其他構筑物，不會引起構筑物的局部水頭損失，對自排涵的自流功能無影響。

方案2性能指標較方案1優，在設計流量下，方案2的進水流態較好，流道水力損失較小，泵裝置效率較方案1提高1.28%。但方案2同方案1一樣，水泵葉輪旋轉產生的漩渦進入水泵進口后，容易導致水泵機組產生水力振動和性能下降。另外，方案2設置的導水錐占用自排涵過水斷面面積2.39m2，約占總過流面積的11.27%，排水能力較方案1降低10.88%，對自排涵的過流能力影響較大。

方案3性能指標優于方案1和方案2，水泵進口處水流流態也更加均勻、平穩，泵裝置效率最高，較方案1提高1.48%，較方案2提高0.20%。方案3中的隔流墻對池底的附底渦和池中的旋轉渦均有較好的消除和阻斷作用，同時該方案隔渦墻占用自排涵過水斷面面積0.50m2，約占總過流面積的2.36%，排水能力較方案1降低2.77%，基本不會對自排涵的過流能力產生影響。

因此，下溝電排站自排涵閘和小泵機組進水池在最終的水工設計方案中推薦采用了方案3。

5 結語

(1)本文基于CFD的三維數值模擬分析和自排涵的過流能力進行比較，最終選擇了水流流態好、水泵裝置效率最高、水頭損失最小和過流能力影響較小的方案3(即進水池內設隔流墻)。

(2)在閘站工程的進水池結構設計中引入CFD三維數值模擬等計算手段，可以在不具備物理模型試驗條件或工期較緊的情況下，進行多種結構設計方案的比選，使設計方案更合理、經濟。

(3)本文基于數值模擬計算結果進行進水池設計方案比選，為進一步驗證選定方案的優越性，后續還需要進行水工物理模型試驗。同時，也希望未來有更多的水利工程做類似的研究和實踐，從而推動水利工程設計和建設的發展。