顧梅芳，孫鋒明，陳新華，楊曉紅

(1.江陰市重點(diǎn)水利工程建設(shè)管理處，江蘇 無錫 214431； 2.江陰市璜土水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 無錫 214431; 3.江陰市南閘水利農(nóng)機(jī)服務(wù)站，江蘇 無錫 214431； 4.江陰市水利工程公司，江蘇 無錫 214431)

0 引 言

泵站進(jìn)水前池基本類型為正向進(jìn)水前池和側(cè)向進(jìn)水前池,其中側(cè)向前池與進(jìn)水池水流方向正交或斜交，池中易形成回流區(qū)，流態(tài)紊亂，對(duì)水泵機(jī)組影響較大，降低水泵工作效率，甚至引起振動(dòng)[1-3]。泵站側(cè)向進(jìn)水前池的水流流動(dòng)規(guī)律，相關(guān)學(xué)者研究較多，有關(guān)學(xué)者通過數(shù)值模擬展示了側(cè)向前池的流態(tài)和流速分布等流動(dòng)特征，并提出可行性的整流措施[4-5]，但關(guān)于雙側(cè)向進(jìn)水前池水流流動(dòng)研究較少。雙側(cè)向進(jìn)水前池適用于水泵機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，且采用錐形前池土建投資過大的情況。由于來流彎曲90°進(jìn)入進(jìn)水池的不佳進(jìn)水條件，且受到進(jìn)水池后壁阻擋，池內(nèi)流態(tài)較為紊亂，須對(duì)雙側(cè)向前池水流流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

某多機(jī)組泵站工程共14臺(tái)機(jī)組，水泵單機(jī)流量1.0 m3/s，總流量14 m3/s，站下設(shè)計(jì)水位1.3 m，底高程-0.7 m。由于引水渠穿過灌溉中央?yún)^(qū)域，為減小土方開挖與建設(shè)投資，故采用雙側(cè)向前池。雙側(cè)向前池平面示意圖見圖1。

圖1 雙側(cè)向前池平面示意圖

2 數(shù)學(xué)模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)該泵站引水建筑物布置圖，應(yīng)用大型商用建模軟件UG NX 6.0，按照1∶1比例，建立泵站引水渠、雙側(cè)向前池草圖按照設(shè)計(jì)水位拉伸成水流三維數(shù)學(xué)模型；進(jìn)水池按照剖面圖通過拉伸、旋轉(zhuǎn)及掃略等功能建立三維數(shù)學(xué)模型，再通過復(fù)制14臺(tái)機(jī)組，該泵站雙側(cè)向前池三維模型見圖2。

通過頂級(jí)網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD軟件采用塊方式對(duì)該泵站引水渠、雙側(cè)向前池及進(jìn)水池水流區(qū)域劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。塊方式分為模塊一與模塊二，模塊一為引水渠、雙側(cè)向前池，模塊二為進(jìn)水池。其中，進(jìn)水池網(wǎng)格劃分較為復(fù)雜，需要通過點(diǎn)、線、面關(guān)聯(lián)及O型網(wǎng)格劃分，再通過鏡像及轉(zhuǎn)移復(fù)制等功能建立14臺(tái)水泵機(jī)組網(wǎng)格。合并引水渠、雙側(cè)向前池網(wǎng)格與14座進(jìn)水池網(wǎng)格，交界面設(shè)置interface。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)格質(zhì)量高，計(jì)算時(shí)間短，更容易收斂，更能迎合流場(chǎng)方向，離散誤差小，可以提高計(jì)算精度及準(zhǔn)確度。

本工程網(wǎng)格單元數(shù)為355 200，節(jié)點(diǎn)數(shù)為320 852，網(wǎng)格質(zhì)量決定性評(píng)價(jià)指標(biāo)0.45以上，該模型網(wǎng)格質(zhì)量為優(yōu)。進(jìn)水池結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格見圖3。

圖2 雙側(cè)向前池三維示意圖

圖3 進(jìn)水池網(wǎng)格示意圖

3 控制方程

控制方程采用三維雷諾時(shí)均N-S方程來描述該泵站雙側(cè)向前池不可壓縮湍流流動(dòng)，方程式如下:

雷諾時(shí)均N-S方程：

4 邊界條件設(shè)置

在fluent計(jì)算中，采用Realizable(可實(shí)現(xiàn))k-ε模型，一階迎風(fēng)格式；進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口；出口設(shè)置為outflow(自由出流)；水流與空氣接觸面設(shè)置為symmetry(對(duì)稱)；河道所有邊壁均設(shè)為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 計(jì)算分析

采用先進(jìn)的CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)多機(jī)組泵站雙側(cè)向前池進(jìn)行水流流動(dòng)預(yù)測(cè)。分析內(nèi)容主要為雙側(cè)向前池表層、中層水深水流流態(tài)及流速分布及三維水流流態(tài)，并提出相關(guān)結(jié)論與工程措施。

5.1 水流流態(tài)及流速分布

依據(jù)圖4(a)，從表層水流流態(tài)來看，表層水流從引水渠平順過度到雙側(cè)向前池，進(jìn)水池水流回流嚴(yán)重，水流流動(dòng)方向朝向閘門后消失，表明表層水流存在翻滾至底層現(xiàn)象。從圖4(b)中看出，表層水流流速大小分布朝閘門方向逐漸遞減，最小分布等級(jí)為0～0.25 m/s；兩側(cè)進(jìn)水池區(qū)域流速分布處于低速區(qū)，這與進(jìn)水池水流流態(tài)不佳有關(guān)。

圖4 雙側(cè)向前池表層水流特征

依據(jù)圖5(a)，1 m水深水流在雙側(cè)向前池流至進(jìn)水池時(shí)流動(dòng)方向不連續(xù)，表明水流在進(jìn)水池區(qū)域里存在三維空間回流。圖5(b)中，0～1.5 m/s流速分布等級(jí)區(qū)域范圍較圖4(b)略有減小，尤其進(jìn)水池0～0.25 m/s流速分布區(qū)域減小明顯，流動(dòng)均勻性略好。

圖5 雙側(cè)向前池1 m水深水流特征

5.2 進(jìn)水池進(jìn)口斷面流速分布

圖6是該泵站兩側(cè)進(jìn)水池進(jìn)口斷面流速分布示意圖。圖6中，進(jìn)水池從左到右是按照引水渠水流流動(dòng)方向依次排列。從圖6中可以看出，較大流速分布在進(jìn)水池進(jìn)口斷面底部及管道中心區(qū)域，進(jìn)水池進(jìn)口斷面頂部為低流速分布區(qū)域，流速分布較為不均勻；從引水渠到閘門，進(jìn)水池進(jìn)口斷面較大流速分布范圍越來越大，流動(dòng)均勻性越來越好。

圖6 進(jìn)水池進(jìn)口斷面流速分布示意圖

5.3 雙側(cè)向前池三維流態(tài)

圖7是該泵站雙側(cè)向前池三維流態(tài)示意圖。圖7反映了三維水流經(jīng)過雙側(cè)向前池遇閘門或90°轉(zhuǎn)彎存在翻滾至底層的現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)水池區(qū)域流態(tài)非常紊亂。兩側(cè)進(jìn)水池水泵進(jìn)水管均采用彎管管道，一定程度上避免池內(nèi)紊亂流態(tài)對(duì)水泵機(jī)組工作的影響。同時(shí)由于90°進(jìn)水、彎管進(jìn)水管道及回流流動(dòng)的影響，一定程度上降低了水泵額定工作效率。

圖7 雙側(cè)向前池三維流態(tài)圖

綜上所述，多機(jī)組泵站采用雙側(cè)向前池具有土方開挖少、投資資金少等優(yōu)點(diǎn)，但也存在兩側(cè)進(jìn)水池區(qū)域回流嚴(yán)重、水流翻滾等現(xiàn)象及水泵彎管進(jìn)水管90°進(jìn)水等不良進(jìn)水條件降低水泵工作效率等缺點(diǎn)。需要采用隔墩隔開兩側(cè)進(jìn)水池區(qū)域整流等工程措施。

6 結(jié) 論

1) 雙側(cè)向前池中進(jìn)水池區(qū)域水流回流嚴(yán)重，水流流動(dòng)方向朝向閘門后消失，存在翻滾至底層現(xiàn)象。

2) 表層水流流速大小分布朝閘門方向逐漸遞減，兩側(cè)進(jìn)水池區(qū)域流速分布處于低速區(qū)。

3) 1 m水深水流在雙側(cè)向前池流至進(jìn)水池時(shí)流動(dòng)方向不連續(xù)，進(jìn)水池區(qū)域里存在三維空間回流。

4) 0～1.5 m/s流速分布等級(jí)區(qū)域范圍較表層水流略有減小，尤其進(jìn)水池0～0.25 m/s流速分布區(qū)域減小明顯，流動(dòng)均勻性略好。

5) 從引水渠到閘門，進(jìn)水池進(jìn)口斷面較大流速分布范圍越來越大，流動(dòng)均勻性越來越好。

6) 三維水流經(jīng)過雙側(cè)向前池遇閘門或90°轉(zhuǎn)彎存在翻滾至底層的現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)水池區(qū)域流態(tài)非常紊亂。

7) 兩側(cè)進(jìn)水池水泵進(jìn)水管均采用彎管管道，由于側(cè)向進(jìn)水、彎管進(jìn)水管道及回流流動(dòng)的影響，一定程度上降低了水泵額定工作效率。