羅 燦，劉 浩，施 偉，成 立，祁衛(wèi)軍

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，南京 210001；3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司南京分公司，南京 211102)

0 引 言

側向進水指前池來流方向與前池主流方向存在夾角，前池中容易形成回流、旋渦等不良流態(tài)，難以創(chuàng)造出良好的水泵進水條件[1]。針對側向進水泵站前池和進水結構內(nèi)部流態(tài)，國內(nèi)外學者已展開了大量的研究工作。成立[2]、張雪[2]等采用數(shù)值模擬方法分析了導流墩在前池流態(tài)改善中的作用；趙苗苗[4]、徐波[5]、羅燦[6]等運用CFD軟件研究了導流墩在閘站結合泵站前池中的整流效果；周濟人[7]、羅燦[8]等通過物理模型試驗并結合數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)在前池中設置底坎可以有效地改善流態(tài),并闡述了底坎的整流機理[9,10]；夏臣智[11]等基于N-S方程和RNGk-ε湍流模型分析了單排方柱及其布置方式在泵站前池內(nèi)的整流效果，結果表明單排方柱的位置對前池內(nèi)流態(tài)改善有明顯影響。通過分析發(fā)現(xiàn)，立柱和底坎均在前池流態(tài)改善中有良好的作用，但是對于立柱和底坎組合在前池內(nèi)的整流機理的研究較少。某泵站由新站和老站組成，均為側向進水布置，針對該雙側向進水泵站前池內(nèi)存在的不良流態(tài)，本文提出了不同的導控措施，分別就各導控措施的流態(tài)改善效果展開數(shù)值模擬分析，并將計算結果與試驗結果進行對比，為改善同類側向進水前池流態(tài)提供一定參考。

1 計算模型及數(shù)值計算方法

1.1 控制方程

泵站內(nèi)的流動一般為高雷諾數(shù)的湍流運動，采用RNGk-ε湍流模型和雷諾時均N-S方程描述該流動，其控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程，即公式(1)和公式(2)。

(1)

(2)

式中:ui分別為x、y、z方向的速度分量；p為壓力；ρ為流體密度；g為重力加速度；v為水的運動黏性系數(shù)；vt為紊動黏性系數(shù)。

1.2 計算域

在UG9.0軟件中構建了該泵站的三維流體域，按照水流的方向依次為引渠、前池、進水池、出水管，圖中出水管包括水泵吸水喇叭管和出水直管。如圖1所示，斷面1-1為計算站前行近流速取值斷面，距進水管中心線1.6D，圖2中B1=90D，B2=24.82D，B3=11.5D，其中D為水泵葉輪直徑為1 000 mm，各機組的站前行近流速取測速斷面上正對吸水管中心測線上的平均速度。

圖1 計算區(qū)域示意圖Fig.1 Computational domains

圖2 模型尺寸示意圖Fig.2 Model dimension

1.3 邊界條件

進口設置在水流進水處，為質(zhì)量流量進口，進口流量設置為22 500 kg/s；出口設置在進水池內(nèi)出水管的出口側，設為自由出流條件，參考壓力為1 atm；前池液面為剛蓋假定，設為對稱邊界條件；計算域其余壁面皆為固體邊界，并采用標準壁面函數(shù)進行處理；計算過程選用一階迎風格式，收斂精度設置為10-4。

1.4 網(wǎng)格無關性校核

在ANSYS-mesh中采用非結構化網(wǎng)格分別對引渠、進水池和前池進行網(wǎng)格離散，其中對新站進水池和前池部分進行網(wǎng)格加密，前池和進水池邊壁設置邊界層，層數(shù)5層，增長率1.2，圖3為網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Mesh generation

網(wǎng)格的數(shù)量會影響到數(shù)值計算結果的準確性，為此剖分了7組網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關性分析，網(wǎng)格數(shù)分別為69.7、91.4、191、221、250、281和310 萬個，將總水力損失作為網(wǎng)格無關性分析的特征參數(shù)，可采用公式(3)通過進、出口的壓差來計算總水力損失：

(3)

式中：Δh為總水力損失；Pin為進口處總壓強，kPa；Pout為出口處總壓強，kPa；ρ為水的密度，取1×103kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

圖4為不同網(wǎng)格數(shù)量時的總水力損失，當網(wǎng)格數(shù)量超過221 萬時，總水力損失無明顯變化，相對誤差控制在±2%以內(nèi)[12]，網(wǎng)格數(shù)量可以滿足要求。

圖4 不同網(wǎng)格方案時水力損失對比圖Fig.4 Comparison of hydraulic loss of different mesh schemes

1.5 試驗驗證

為了對數(shù)值模擬結果進行驗證，設計開展了模型試驗研究，對新站和老站同時運行工況下的流動特征進行了捕捉，圖5中，從左到右依次為1～5號進水池進口的軸向速度分布，單位為m/s，為了分析數(shù)值模擬結果和試驗結果的誤差，采用平均量和離散特征量2個值來對誤差進行分析，將圖5中各測線上的計算平均軸向速度和試驗平均軸向速度求出，最后得到兩者之間的差值和相對誤差；接著通過標準差的大小來判定測點上的計算結果和試驗結果與平均量之間的差別，標準差越大，說明結果相對于平均值的偏差越大，軸向速度分布越不均勻，標準差越小，說明結果相對于平均值的偏差越小，軸向速度分布越均勻，5條測線上的計算平均軸向速度和試驗平均軸向速度之間的相對誤差最大為6.90%，最小為3.31%，試驗軸向速度標準差整體小于計算軸向速度標準差。通過數(shù)值模擬得到的進水池進口的流速分布與模型試驗結果趨勢基本一致。

圖5 進水池進口軸向速度分布圖Fig.5 Axial velocity distribution on the inlet of sump

圖6可以看出數(shù)值模擬的變化趨勢與試驗結果[13,14]基本一致。這表明這種數(shù)值模擬方法是可靠的。

圖6 站前平均行近流速分布圖Fig.6 Near-flow velocity distribution in the original scheme station

2 運行方案及導控措施

2.1 運行工況

根據(jù)調(diào)水需求，該泵站分別在老站單獨運行、新站單獨運行、“老站+新站”同時運行3種工況下運行，分別記作工況一、工況二和工況三。圖7(a)為原方案在老站單獨運行面層流態(tài)分布，老站進水池內(nèi)流態(tài)平順，無回流發(fā)生，新站前池內(nèi)存在大尺度回流；工況二下，新站單獨運行，老站前池出現(xiàn)大面積的回流區(qū)，新站引渠和前池交界處流速變大；工況三下，新站和老站同時運行，此時老站前池內(nèi)水流平穩(wěn)，新站引渠右側存在回流區(qū)?？梢钥闯?個工況下的流態(tài)都不均勻。

圖7 原方案不同工況下面層流線分布圖Fig.7 Surface streamlines of the original scheme under different conditions

2.2 導控措施

為了解決原方案前池和進水池存在的回流等流態(tài)問題，設置了3種導控措施，其中方案1為方形立柱導控措施，方案2為矩形底坎導控措施，方案3為“矩形底坎+方形立柱”組合導控措施，通過對比分析3種方案的導控效果選取最優(yōu)的導控措施。各導控措施的形狀和尺寸如圖8所示，將各導控措施的尺寸分為位置尺寸和幾何尺寸，位置尺寸包括L1～L6，幾何尺寸包括W1～W5。其中D為出水管直徑，L1是最左側立柱到邊壁的距離，L2是立柱到進水池后壁的距離，L3是底坎到邊壁的距離，L4是底坎到進水池后壁的距離，L5是設置底坎的長度，L6是同時設置底坎和立柱時底坎和立柱之間的距離；W1和W2是單個立柱截面的尺寸，W3是各個立柱之間的距離，W4是底坎截面的寬，W5是底坎截面的高度。將各導控措施的尺寸列于表1中。

圖8 各導控措施及細部Fig.8 Rectification measures of each scheme

表1 導控措施尺寸Tab.1 Geometrical dimensions

3 結果分析

3.1 特征斷面和分析參數(shù)選取

分別截取了水平剖面Z=0.05H和Z=0.95H來分析新站前池面層和底層流態(tài)，其中H為前池水深。此外，引入了速度加權平均角β和軸向速度分布均勻度Vau[15]來評價不同方案各進水池進口斷面上的流速分布特性。

3.2 前池流態(tài)特性

圖9～圖11為不同方案各工況下的前池面層、底層的流線分布以及速度云圖。從圖9可以發(fā)現(xiàn)工況一下老站單獨運行，原方案前池內(nèi)左側出現(xiàn)大尺度的回流區(qū)，這將造成左側機組的進水條件惡化，發(fā)生偏流。設置方案1后老站流態(tài)明顯改善，新站前池流態(tài)紊亂；方案2下老站前池流態(tài)分布較為均勻，新站引渠仍存在大尺度回流；設置方案3后老站流態(tài)較方案1、2無明顯區(qū)別，但新站前池回流區(qū)消失，流態(tài)有所改善。

由圖10中可以看出在工況二下，新站單獨運行，此時通過設置3種不同的導控措施，老站流態(tài)紊亂，新站前池與引渠交界處流速較大，達到的整流效果基本一致。

圖9 工況一下各方案面層、底層流線分布Fig.9 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 1

圖11為工況三下的流態(tài)分布，從圖11中可以看出，方案1通過設置立柱老站前池水流流態(tài)平穩(wěn)，新站引渠回流區(qū)消失，水流通過立柱后流速有所較低；方案2通過設置底坎，新站引渠側壁仍存在較小的回流區(qū)，但是坎后水流的流速分布較好，從引渠進入前池的水流分布較為均勻，但是當水流越過底坎后，由于坎后旋滾作用，坎后水流還未得到充分發(fā)展，亦會對進水池的進水流態(tài)產(chǎn)生不良影響。方案3在方案1的基礎上加設底坎后流線分布比較均勻，新站引渠側壁的回流區(qū)基本消去，總體水流流態(tài)比較平穩(wěn)，但在前池入口的左右兩側流速較大。

圖10 工況二下各方案面層、底層流線分布Fig.10 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 2

圖11 工況三下各方案面層、底層流線分布Fig.11 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 3

3.3 速度加權平均角和軸向速度分布均勻度

為了進一步定量分析前池水流對進水池進口斷面上的流速影響，計算出進水池各進口斷面上的軸向流速分布均勻度以及速度加權平均角，計算結果列于表2和表3。圖12～圖14給出了各工況下各方案進口斷面軸向速度云圖，對比各工況原方案和3種方案的速度云圖，并結合表3數(shù)據(jù)結果可以發(fā)現(xiàn)：工況一和工況二下原方案進水池各進口斷面上的軸向流速分布均勻度都不高，最差的為工況一下的1號進水池僅有60.51%，工況三下的原方案軸向速度分布均勻度較前兩種工況都有所提高，最高的為新站的3號進水池為84.25%；3種導控措施都可以顯著提高各進水池進口斷面的軸向速度分布均勻度，其中工況三下新站3號、4號進水池進口斷面的軸向速度分布均勻度經(jīng)導控措施后略有降低，但是整體斷面軸向速度分布均勻度都有所提高。設置導控方案1和導控方案2后1號進水池進口斷面軸向速度分布均勻度變化最為明顯，最高提高了6.39%。設置方案3后，除了工況三3號進水池進口斷面軸向速度分布均勻度有明顯提高，兩側的進水池進口斷面軸向速度分布均勻度相對于前兩種導控方案有明顯降低，其他兩種工況下，各進水池進口斷面軸向速度分布均勻度均較原方案有所提高。通過不同工況下各進水池進口斷面軸向速度分布均勻度對比發(fā)現(xiàn)，對于各導控方案，導控方案2進水池進口斷面軸向速度分布均勻度整體大于導控方案1、3。通過表4可以發(fā)現(xiàn)，各斷面的速度加權平均角整體變化趨勢與軸向速度分布均勻度基本一致，設置導控措施后，各斷面速度加權平均角都有所提升。整體來講，導控方案2的導控效果優(yōu)于導控方案1和導控方案3。

4 結 論

本文針對側向進水泵站前池、進水池容易出現(xiàn)大尺度回流不良流態(tài)的問題，提出了在前池內(nèi)加設底坎、立柱以及底坎+立柱的導控措施，分析了3種不同的導控措施對不同前池流態(tài)的改善作用，得到了如下結論。

表2 各方案進水池進口斷面上的軸向速度分布均勻度Vau %

表3 各方案速度加權平均角β (°)

圖12 工況一下各方案進水池進口斷面軸向速度云圖Fig.12 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 1

圖13 工況二各方案進水池進口斷面軸向速度云圖Fig.13 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 2

圖14 工況三各方案進水池進口斷面軸向速度云圖Fig.14 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 3

(1)在老站單獨運行、新站單獨運行和“新站+老站”同時運行3種工況下前池流態(tài)都不均勻，工況一下，老站單獨運行，老站前池內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，新站引渠內(nèi)出現(xiàn)大尺度的回流區(qū)；工況二下，新站單獨運行，老站水流紊亂，新站引渠內(nèi)同樣存在回流區(qū)且引渠和前池連接處流速偏大；工況三下，新站和老站同時運行，新站引渠右側存在回流區(qū)，同時對比試驗測試結果和數(shù)值模擬結果發(fā)現(xiàn)二者吻合性好，說明數(shù)值模擬結果是可信的。

(2)通過設置3種不同的導控措施均可以有效改善前池流態(tài)，新站前池內(nèi)的大尺度回流基本消失，對比3種導控措施，導控方案2進水池進口斷面軸向速度分布均勻度整體大于導控方案1、3。整體來講，導控方案2的導控效果優(yōu)于導控方案1和導控方案3。