楊小帆 于永海 劉 東 朱曉明

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098)

前池是連接引渠和進水池的建筑物，根據(jù)水流方向，前池分為正向進水前池和側(cè)向進水前池[1]．由于地形以及工程占地的限制，有些泵站會采用側(cè)向進水前池，側(cè)向進水前池較正向進水前池容易出現(xiàn)不良流態(tài)．泵站前池采用側(cè)向布置，前池內(nèi)易存在大尺度回流現(xiàn)象、流態(tài)紊亂，使得各水泵機組來流條件差異顯著，易引起機組振動、汽蝕甚至被迫停機，不能保證其安全可靠運行．

泵站前池流態(tài)及水力特性方面的研究成果比較豐富，結(jié)合不同的泵站工程已提出了底坎、立柱、導(dǎo)流墩、壓水板等流態(tài)改善措施[2]，早期主要通過泵站水工模型試驗進行研究，近年來多采用計算流體動力學(xué)(CFD)結(jié)合泵站水工模型試驗進行研究[3-6]．劉超等[7]提出對于泵站水工水力學(xué)問題可以僅僅采用CFD數(shù)值模擬方法進行數(shù)值試驗，一般可以不再進行泵站水工模型試驗研究．目前泵站流態(tài)及水力特性CFD研究方面，基本上都采用k-ε湍流模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型，用壁面函數(shù)對近壁區(qū)進行模擬，采用對近壁區(qū)精細(xì)模擬的SSTk-ω湍流模型的尚少．SSTk-ω湍流模型通過取值為1或0的分段函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)k-ω與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型結(jié)合到了一起，近壁面利用k-ω模型的魯棒性，以捕捉到粘性底層的流動，在主流區(qū)域利用k-ε模型又可以避免k-ω模型對入口湍動參數(shù)過于敏感的劣勢[8-9]．本文結(jié)合某側(cè)向進水排澇泵站，用SSTk-ω湍流模型對其進水流態(tài)進行數(shù)值模擬，并在數(shù)值試驗基礎(chǔ)上提出合適的流態(tài)改善措施．

1 計算模型構(gòu)建

某排澇泵站側(cè)向進水，安裝6臺水泵機組，兩臺邊機組1號與6號水泵設(shè)計流量為2.8 m3/s，流道進口寬高尺寸為1.65 m×1.62 m，中間四臺機組2號至5號水泵設(shè)計流量為8.69 m3/s，流道進口寬高尺寸為3.77 m×2.975 m．進水池最低運行水位為1.9 m，設(shè)計水位為2.68 m，最高運行水位為3.3 m．泵站左側(cè)為自排涵，泵站運行時，自排涵節(jié)制閘關(guān)閉．泵站進水建筑物平面布置圖如圖1所示．

圖1 泵站進水建筑物平面布置圖

為使流速分布符合實際，進口向外延伸11 m，出口向外延伸9 m．選用SSTk-ω湍流模型，采用剛蓋假定，水面設(shè)置為對稱邊界條件，壁面設(shè)置為靜止壁面，入口設(shè)置為壓力入口，出口按各機組流量分別設(shè)置速度出口．采用QUICK格式，隱式求解，速度和壓力方程用SIMPLEC算法耦合．選定y+值為1，初步計算邊界層第一層網(wǎng)格高度為0.05 mm，高度比為1.2，邊界層網(wǎng)格層數(shù)為10層．通過網(wǎng)格無關(guān)性分析，確定網(wǎng)格數(shù)為1 324 393個．網(wǎng)格劃分如圖2所示．

圖2 實體網(wǎng)格劃分圖

2 目標(biāo)函數(shù)

記流道入口橫斷面為1-1，以1-1斷面當(dāng)量流向偏離角[10]作為目標(biāo)函數(shù)判斷泵站進水流態(tài)及整流效果．當(dāng)量流向偏離角按下式計算：

(1)

式中，uix為第i個單元沿流道縱向的流速(m/s)；ui為第i個單元的流速(m/s)．

3 計算結(jié)果與分析

3.1 未整流條件下的進水流態(tài)

未設(shè)置任何整流措施時，最低運行水位工況下，泵站進水流態(tài)如圖3所示．從圖中可知，右側(cè)攔污柵隔墩沒能使水流完全調(diào)整好流向，水流與攔污柵隔墩間夾角約15°，導(dǎo)致右側(cè)水流脫壁，形成死水區(qū)，但離機組進水口較遠，未對流道進口流態(tài)造成嚴(yán)重影響；左側(cè)水流通過攔污柵后，在慣性作用下繼續(xù)向前運動，未能沿池壁擴散，在1號機組的作用下，水流才向左流動，導(dǎo)致進水池左側(cè)形成長約10 m寬約5 m的漩渦，水流側(cè)向流入1號機組，入口斷面最大流速1.41 m/s，流道入口速度分布極度不均，必須采取整流措施．本文選用導(dǎo)流墩進行整流．

圖3 未整流泵站進水流態(tài)圖

3.2 導(dǎo)流墩位置方案比較

擬定兩種導(dǎo)流墩位置方案，在進水流態(tài)比較基礎(chǔ)上選擇出導(dǎo)流墩合適的位置．

3.2.1 方案1

如圖4所示，在進水池中部設(shè)置導(dǎo)流墩．中部導(dǎo)流墩由圓弧段與直線段組成，直線段位于泵房中軸線位置，圓弧段同時與攔污柵中軸線和直線段相切，圓弧段離攔污柵隔墩4.3 m，圓弧段長4.61 m，直線段長3.39 m，共8 m，導(dǎo)流墩厚0.9 m．

圖4 方案1導(dǎo)流墩布置圖

經(jīng)CFD計算，設(shè)置了中部導(dǎo)流墩之后，進水流態(tài)如圖5所示．由圖5可知，中部導(dǎo)流墩的設(shè)置沒能改善1號機組進水流道的進口流態(tài)，流速最高處為1.38 m/s，進水池左側(cè)大尺度漩渦依舊存在．由于攔污柵隔墩未能完全改變圖5中紅圈部分水流的流向，在慣性作用下，此部分水流流至導(dǎo)流墩左側(cè)，在流過導(dǎo)流墩之后，又在右側(cè)3臺機組的作用下流向右側(cè)，使得前池流態(tài)更加紊亂．

圖5 方案1泵站進水流態(tài)圖

3.2.2 方案2

考慮到1-1斷面中主要是1號機組流道進口斷面流速分布不均，大尺度漩渦也是出現(xiàn)在1號機組前，故在此位置處設(shè)置導(dǎo)流墩以約束水流運動．如圖6所示．

圖6 方案2導(dǎo)流墩布置圖

導(dǎo)流墩為圓弧型，將右側(cè)圓弧形導(dǎo)流墩邊線對應(yīng)的圓心角記為α，由于漩渦長度約8 m，故右側(cè)導(dǎo)流墩長度定為8 m，厚度0.9 m，一端垂直于1-1斷面，α初步選定為20°，為使1號進水流道進水流態(tài)更佳，在原泵站翼墻的基礎(chǔ)上再澆筑左側(cè)翼墻，左側(cè)翼墻外邊線與右側(cè)導(dǎo)流墩邊線為同心圓弧，長度延伸至池壁．按方案2設(shè)置導(dǎo)流墩之后，進水流態(tài)如圖7所示．

圖7 方案2泵站進水流態(tài)圖

由圖7可知，左側(cè)大尺度漩渦已消除，1號機組進水流道入口斷面流態(tài)得到明顯改善，最高流速為1.32 m/s，與未整流情況相比有明顯下降．且未對2號機組進水流道入口斷面產(chǎn)生不良影響．

3.2.3 兩種方案比較

方案2中大尺度漩渦已消除，1-1斷面流速分布也優(yōu)于方案1，兩種方案相比，方案2整流效果較好，故導(dǎo)流墩位置選擇方案2．

3.3 α取值比較

由于水流經(jīng)過攔污柵隔墩之后斜向進入1號進水流道，α不能過大也不宜過小，初步選定α為10°、15°、20°、25° 共4個方案進行比較．其中20°方案即為3.2.2節(jié)中的方案2，其他弧度方案與20°方案布置形式一致，右側(cè)導(dǎo)流墩長度都為8 m，僅對應(yīng)α分別為10°、15°、25°(圓弧半徑不同)．

右側(cè)導(dǎo)流墩與增設(shè)的左側(cè)翼墻布置在1號流道入口前，主要為了改善1號流道的水流流態(tài)，且未對2號機組進水流道入口斷面產(chǎn)生不良影響，故在比較不同導(dǎo)流墩角度的整流效果時，以1號流道入口斷面當(dāng)量流向偏離角為標(biāo)準(zhǔn)，選出最佳方案．各方案計算結(jié)果見表1．

表1 方案2不同α取值計算結(jié)果比較表

經(jīng)計算，當(dāng)α=20°時，當(dāng)量流向偏離角最小，為24.57°，故α選定為20°．

3.4 選定整流方案

經(jīng)3.2與3.3節(jié)分析，當(dāng)導(dǎo)流墩設(shè)置在1號進水流道入口前，且α=20°時，整流效果最佳．

在選定的整流方案下，對泵站進水池設(shè)計水位與最高運行水位工況進行與上述最低運行水位工況同樣的CFD計算，發(fā)現(xiàn)進水池內(nèi)無大尺度漩渦，流道斷面進口流速分布良好，故最終選定該整流方案．

4 結(jié) 論

以Fluent軟件為平臺，采用SSTk-ω湍流模型，分析比較了導(dǎo)流墩不同位置與角度對側(cè)向進水流態(tài)的影響，確定了該泵站最佳導(dǎo)流墩設(shè)置方案，有效地改善了進水流態(tài)，同時得出以下結(jié)論：

1)側(cè)向進水泵站中，由于水流側(cè)向流入，進水前池各縱向斷面的流態(tài)不是對稱分布的，設(shè)置導(dǎo)流墩分配水流時，應(yīng)根據(jù)工程實際情況適當(dāng)調(diào)整．

2)側(cè)向進水泵站中，水流在慣性作用下易形成漩渦，針對漩渦產(chǎn)生的位置設(shè)置導(dǎo)流墩，能有效消除漩渦，改善進水流態(tài)．

參考文獻：

[1] 馮衛(wèi)民，于永海．水泵及水泵站[M]．5版．北京：中國水利水電出版社，2016．

[2] 徐 輝，張 林．側(cè)向進水泵站前池整流技術(shù)研究綜述[J]．水利水電科技進展，2008，28(6)：84-88．

[3] Kim J J， Baik J J． A Numerical Study of the Effects of Ambient Wind Direction on Flow and Dispersion in Urban Street Canyons Using the RNGk-εTurbulence Model[J]． Atmospheric Environment，2004，38(19)： 3039-3048．

[4] 屈磊飛，王林鎖，陳松山，等．閘站合建樞紐泵站三維水流的數(shù)值模擬[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2006，4(1)：15-17．

[5] 于永海，徐 輝．程永光．泵站前池導(dǎo)流板整流措施數(shù)值模擬研究[J]．水利水電技術(shù)，2006，37(9)：41-43．

[6] 于永海，成 斌．側(cè)向引水及進水泵站進水流態(tài)CFD模擬分析與優(yōu)化[J]．水利水電技術(shù)，2012，43(2)：72-75．

[7] 劉 超，韓 旭，周濟人，等．泵站側(cè)向進水引河段三維紊流數(shù)值模擬[J]．排灌機械工程學(xué)報，2009，27(5)：281-286．

[8] Menter F R． Zonal Two Equationk-ωTurbulence Models for Aerodynamic Flows[R]．AIAA-93-2906，1993．

[9] 周 宇，錢煒祺，鄧有奇，等．k-ωSST兩方程湍流模型中參數(shù)影響的初步分析[J]．空氣動力學(xué)學(xué)報，2010，28(2)：213-217．

[10] 張 林，于永海，徐 輝．側(cè)向進水城市排水泵站配水池水力優(yōu)化設(shè)計[J]．中國給水排水，2008，24(8)：37-40．