基于數值模擬的某彎道河段泵閘站進水流態改善措施

張新嬌

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

引渠、前池、進水池屬于泵站進水建筑物[1]，建在泵站前部。進水建筑物的合理的設計可以為泵站提供良好的進水條件，提高泵站的運行效率和抗汽蝕性能[2]。規范[3]規定進水段的布置應盡量順直，以保證進水流態穩定，水流順暢，流速分布均勻，無旋渦也無回流，否則會影響泵站高效、穩定、安全運行，嚴重時甚至偏離設計工況，引起機組設備震動，影響建筑物安全穩定。

實際工程設計中往往受地形限制等因素導致閘站結合的排澇樞紐布置緊湊，尤其引渠段位于河道彎道段會導致排澇泵站運行時進水流態更加復雜，需要采取適當的整流措施進行改善。張松達等[4]提出調整前池底坡坡度消除前池橫軸回流現象；楊明會等[5-7]提出在前池設置導流墩整流措施；李志祥等[8]提出在前池設置底坎整流措施，并進行參數優化設計；趙智磊等[9]提出調整泵站進水河道中心線和泵站進水池中心軸線的不同夾角優化流態；朱偉軍[10]提出在前池設置立柱改善前池水流形態。本文在前人研究的基礎上，基于數值模擬計算提出某彎道河段泵閘站進水流態改善措施。

1 工程概況

某排澇項目受限于周邊現狀高速公路、擬建鐵路、填海工程及海岸線限制，排澇泵站與自排閘共同組成的排澇樞紐布置在河道北出口河道彎道處，且泵站前池距離上游高速橋墩約12～48m。根據水閘水力條件，水閘布置在北側，泵站布置在南側，水閘和泵站并列布置，總布置寬度約140m，泵站布置寬度50m，水閘布置約73m，中間設置17m寬導流島。樞紐總平面布置如圖1所示。

為了分析位于河道彎段排澇泵站進水流場流態，了解不同運行水位、流量條件下的水流運動特性以及泵站運行時對上游高速橋墩的影響，為工程設計提供技術參考依據，對排澇樞紐泵站工程進行數值模型計算研究。

2 數值模型及計算方法

2.1 計算區域及幾何建模

排澇泵站設計排澇流量為117.0m3/s，選用4臺豎井貫流泵。泵站前池采用正向進水形式，總長20.5m，底板高程由-2.0m采用1∶4斜坡降低至-6.625m；進水池長15.0m，底板高程為-6.625m；攔污柵及進口閘段總長30.0m，底板高程為-6.125m；泵房段總長約33.1m。

本次計算所采用的軟件為ANSYS Fluent 19.1，采用80線程并行設置。計算區域及模型如圖2所示。根據工程情況，進行仿真計算。計算區域總長460m，寬194m。入口由干流和支流組成，干流和支流的流量分流比分別為0.813和0.187。出口由4臺水泵組成，分別記為1#、2#、3#、4#。外環高速段橋墩位于模型中間位置，分別命名為1—16。主、支流入口及水泵流道出口位置分別設置為質量流量入口(mass-flow-inlet)和質量流量出口(mass-flow-outlet)。

圖2 計算區域及模型

2.2 網格參數及無關性驗證

為保證數值計算準確性，對計算區域進行了混合網格的劃分和網格無關性驗證，詳見表1，如圖3所示。

表1 網格參數及無關性驗證

圖3 計算區域網格劃分

由表1知，當Cell數量由170101增加至340232時，四號橋墩的壓強由5.01Pa增加至7.53Pa，差異較大；當Cell數量繼續增加至721523時，橋墩壓強為7.46Pa，與Cell數量為340232時沒有明顯差異。說明當Cell數量增加至340232以上時，計算結果將不隨網格數量發生變化，即網格無關。為了在保證計算準確度的同時提高計算效率，本次計算采用Cell數量為340232的網格生成方案，最終的網格質量為Minimum Orthogonal Quality=2.72470×10-1。

2.3 求解設置

具體求解設置及收斂殘差曲線見表2，如圖4所示。

圖4 收斂殘差曲線

3 計算工況及模擬結果

3.1 計算工況

針對排澇工況下不同單機流量及不同運行數進行工況組合，見表3。

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表3 模擬運行工況

3.2 模型計算及分析

3.2.1上游高速橋墩計算結果及分析

經計算，在所有工況下均是外環高速段4號橋墩所受的流體沖擊力最大，見表4。

表4 4號橋墩所受沖擊力、壓強及附近流速狀態

對比所有工況，最大流體沖擊力發生在0.40m水位4泵全開時，此時流體沖擊合力為2251.61N，4表面最大壓強為0.0528kPa(相對壓強)，附近流速最大為0.75m/s。高速橋墩處河道護底為干砌石護底，不沖流速為4m/s，滿足抗沖刷要求。因此，泵站運行時不會對高速橋墩造成較大影響。

3.2.2前池、進水池計算結果及分析

基于不同工況進行數值模型，并基于結果對泵站進水池、前池的流動狀態分析，見表5。

表5 不同工況下進水池、前池流動參數統計

高水位大流量工況下進水段流場流態如圖5所示。

圖5 高水位大流量工況下進水段流場流態圖

4 優化方案分析

4.1 優化方案擬定

為評估估導流墩對流場的影響作用，本文針對2種不同的邊界條件進行了仿真計算，分別為質量流量出口(出口流量相等)和壓力出口(出口靜壓為0)，計算結果如圖6—7所示。

圖6 1.65m-4泵全開工況下出口流量相等時流場及出口附近壓力、速度云圖

根據圖6，流態由導流墩的形狀、位置以及抽水泵的吸水作用共同決定，此時流場中可觀察到明顯的旋渦出現。在此狀態下雖然每個出口的流量相等，但存在較大的壓力差異，進而影響水泵的工作狀態。

根據圖7，流態僅由導流墩的形狀和位置決定。此時流場中沒有明顯的旋渦出現，但大部分流體都由3#和4#出口流出。即導流墩的位置對泵站區域的流態產生較大影響，導致自然狀態下水流體分布不均。

圖7 1.65m-4泵全開工況下出口靜壓為0時流場及出口附近壓力、速度云圖

通過分析導流墩后的旋渦形成特點，本文提供2種泵站區域流態優化方案：①通過改變導流墩的設計位置使其前移，將泵站沿程增長以使流體充分發展，進而消除或抑制旋渦的產生；②將分流墩長度延長至旋渦產生的核心區域，同時將河道左岸位于外環高速處彎折段岸線設計得較為順直，通過改變流道幾何形狀的方式直接干涉旋渦的形成。

4.2 優化方案數模驗證

4.2.1前移導流墩方案

不同導流墩前移方案下泵站區域的流態如圖8所示。

圖8 不同導流墩前移方案下泵站區域的流態

隨著導流墩位置的前移，區域內的旋渦逐漸減弱，說明導流墩的位置對于旋渦的抑制有重要意義。

4.2.2增長分流墩長度，且順直岸線

該方案計算結果如圖9所示。

圖9 不同分流墩長度及不同岸線彎曲度下流場分布情況

分流墩位于初始位置時，流場中可觀察到明顯的旋渦出現；單純將分流墩向上游前移10m，雖然不能完全消除旋渦，但相比初始位置有較好的抑制作用；將分流墩向上游前移10m，同時結合左岸岸線的順直變更，可觀察到流場中旋渦已完全消失。

5 結語

本文以河流彎道段排澇樞紐為研究對象，對不同排澇工況進行了數值模擬和計算，得出以下結論。

(1)所有工況下，對上游高速橋墩最大流體沖擊力發生在0.40m水位4泵全開時，距離前池最近的四號橋墩表面壓強最大，最大流速滿足抗沖刷要求，不會對外環高速橋墩造成較大影響。

(2)優化前，各種抽排工況下導流堤后均存在漩渦，流速分布不均。

(3)為了抑制旋渦的產生，提出了2個優化方案，即導流墩位置前移和延長分流墩位置至旋渦產生核心區同時順直左岸岸線，均有效抑制或消除了旋渦，可根據工程實際可操作性，選擇適合的方案。