雷 恒，李 穎，高新江，羅全勝

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003； 2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475003； 3.中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610065)

雨水泵站進(jìn)水前池[1]的水流流態(tài)對水泵運(yùn)行時(shí)的效率、汽蝕程度、振動及噪聲產(chǎn)生較大影響，不良的流態(tài)會嚴(yán)重影響水泵的性能。傳統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)受到場地限制、人身安全、測量精度等因素影響，所得結(jié)果與取值范圍有較大出入。隨著流體動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，采用CFD技術(shù)能有效模擬復(fù)雜的過程、降低成本、提高精度。國內(nèi)學(xué)者陳上志等[2]通過數(shù)值模擬，分析了泵站進(jìn)水池的水流流態(tài)；高傳昌等[3]對泵站前池與進(jìn)水池水流通過數(shù)值模擬提出了整流方案。國外學(xué)者Cheng B等[4]、Constantinescu G S等[5]對前池結(jié)構(gòu)、進(jìn)水流態(tài)和運(yùn)行調(diào)度等方面提出了很好的建議和措施。本文以孟加拉國Rampura雨水泵站為例，建立數(shù)學(xué)模型和湍流模型，對該泵站前池水流流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過水力模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證，保證運(yùn)行時(shí)不會發(fā)生重要的問題，水流無有害漩渦，并不會對原型泵的運(yùn)行造成影響[6]。

1 工程概況

Rampura雨水泵站位于孟加拉國達(dá)卡市東部地區(qū)，泵站受納水體為Begunbari河道，受納水體洪水位為7.09 m(絕對標(biāo)高)，汛期最高、最低及正常水位分別為5.5、2.5和3.5 m。泵站設(shè)置5臺軸流泵，單泵流量Qp=5 m3/s，進(jìn)水采用明渠進(jìn)水，長度約76 m，進(jìn)口處設(shè)自動除污格柵，出水消能池1座，5根DN1 500 mm出水鋼管[6]。見圖1。

圖1 Rampura雨水泵站布置圖

2 物理模型與數(shù)值模擬

2.1 物理模型

泵站模型的整體布置在試驗(yàn)場按原地形制作，主要包括原河道、引渠、泵房等。根據(jù)泵站參數(shù)及任務(wù)的特點(diǎn)，采用正態(tài)整體模型，實(shí)際模型設(shè)計(jì)采用幾何比尺為Lp/Lm=λL=6，模型按弗勞德準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[6]。模型雷諾數(shù)及模型韋伯?dāng)?shù)經(jīng)計(jì)算分別為4.2×105和9.714×103，模型尺寸300 mm，最小水深超過150 mm，泵吸入口直徑大于80 mm，符合國外標(biāo)準(zhǔn)[7]《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》第9.8.5.3條要求。模型采用斷面法制作地形，泵室部分采用有機(jī)透明玻璃制作，河床采用混凝土砂漿硬化，砂漿厚度達(dá)到4 cm。邊墻采用500 mm×240 mm磚墻砌筑，內(nèi)外墻面使用混凝土砂漿粉面[6]。

2.2 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域包括引水渠和前池容納水體，限于篇幅，以正常水位單泵運(yùn)行工況為例，網(wǎng)格數(shù)104×104左右，見圖2(a)、圖2(b)。CFD分析軟件采用Fluent，壓力和速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力、速度、湍動能均采用二階迎風(fēng)格式離散計(jì)算[8]。前池計(jì)算區(qū)域及分析斷面見圖2(c)，其中X表示橫斷面，Y表示縱剖面，Z表示水平剖面，取前池進(jìn)口底部為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，分析選用前池進(jìn)口橫斷面X=500 mm，縱剖面Y=200 mm、Y=500 mm，水平剖面Z=2 000 mm、Z=3 000 mm。

2.3 控制方程

泵站前池水流屬復(fù)雜的三維紊流流態(tài)，假定在定常、不可壓流動條件下，采用雷諾時(shí)均(N-S)方程模擬水流，并利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程使方程組封閉[9-10]。方程組如下：

圖2 計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域及分析斷面

連續(xù)方程：

動量方程：

k方程：

ε方程：

2.4 邊界條件

3) 考慮到前池水面隨時(shí)間變化不大，自由水面采用剛蓋假定。

4) 壁面條件計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過CFD數(shù)值模擬，得到引水渠和前池流場分布情況，分析如下。

3.1 引水渠水力特性分析

從圖3(a)可知，整個(gè)引水渠的表面最大流速0.20 m/s，流速比較緩慢。引水渠進(jìn)水口表面由于斷面的擴(kuò)大，進(jìn)口左岸有繞流現(xiàn)象，右岸有回流，該區(qū)域從引水渠底一直延伸到表面，且漩渦強(qiáng)度很小。通過模型試驗(yàn)，見圖3(b)，進(jìn)水口左側(cè)翼墻處稍有不明顯且不連續(xù)的渦流；隨著水位降低，進(jìn)水口左側(cè)翼墻處表面渦紋強(qiáng)度增加，左側(cè)的擾流強(qiáng)度及范圍逐漸增強(qiáng)，低水位時(shí)偶見2類渦旋，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近。

圖3 引水渠表面流速和流態(tài)分布圖

3.2 前池水力特性分析

從圖4(a)可知，單泵運(yùn)行時(shí)在前池閘門前流態(tài)分布比較平順，在高度上約占前池進(jìn)口高度的1/3。由圖4(b)和圖4(c)(Z=2 000)可知，在前池表面存在兩個(gè)表面漩渦，但兩個(gè)漩渦并不是完全對稱的，一個(gè)尺寸較大，另外一個(gè)尺寸較小，原因可能是前池閘門進(jìn)水時(shí)的流態(tài)分布不均造成的。隨著水深的增加，此漩渦逐漸消失，在喇叭口附近水流近似于垂直向池底流動，見圖5(e)(Z=3 000)，所以該漩渦不會對喇嘛口附近的流態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。模擬計(jì)算時(shí)，參考壓力的位置選擇在前池進(jìn)口水面處，參考壓力值為101 325 Pa。從圖5(d)可知，漩渦中心的壓力明顯高于汽化壓力，說明流速小，漩渦強(qiáng)度很小，不會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

圖4 前池及喇叭口不同水平剖面流態(tài)和壓力分布圖(壓力單位：Pa)

圖5 前池喇叭口左右側(cè)壁及后側(cè)壁流態(tài)分布圖(壓力單位：Pa)

由圖5(a)～圖5(c)可知，前池喇叭口附近左右側(cè)附壁各有一個(gè)漩渦沿喇叭口是對稱的，但在靠近導(dǎo)流墻附近此漩渦變小，逐漸消失。由圖5(d)可知，漩渦中心的絕對壓力高于汽化壓力，說明漩渦強(qiáng)度很小，流速也很小，不會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。由圖5(e)～圖5(f)可知，在導(dǎo)流墻后部壁面處存在一個(gè)漩渦，但是此漩渦緊貼在壁面附近，尺寸較小，對喇叭口附近的流動影響較小。

從以上分析可知，在前池喇叭口附近壁面處存在著5個(gè)漩渦，表面渦最大，側(cè)附壁渦次之，后附壁渦最小。這些漩渦在喇叭口附近消失且漩渦中心的絕對壓力明顯高于汽化壓力，漩渦強(qiáng)度很小，不會產(chǎn)生氣蝕，所以對泵運(yùn)行性能沒有影響。

4 結(jié) 語

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，Rampura雨水泵站正常運(yùn)行情況下，整個(gè)引水渠和前池內(nèi)流態(tài)分布較好，前池段的吸水管后泵室水面未出現(xiàn)明顯有害漩渦，不會對水泵裝置的運(yùn)行性能產(chǎn)生明顯的影響，喇叭口在徑向、垂向進(jìn)流狀況基本均衡，滿足設(shè)計(jì)要求。