徐捷，施偉，袁壽其，李彥軍，李亞林*

(1. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210029)

泵站是農(nóng)田灌溉、城市供排水、電廠循環(huán)水和大型調(diào)水工程的重要組成部分.在泵站工程中，前池對(duì)泵站性能具有較大影響.前池設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水池旋渦較多，理想的前池可以保證水流從引渠流向進(jìn)水池平順地?cái)U(kuò)散，為進(jìn)水池提供良好的進(jìn)水條件[1].

在前池流態(tài)優(yōu)化方面，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流除渦裝置主要為底坎、錐臺(tái)、導(dǎo)流板、導(dǎo)流墩、導(dǎo)流柵、立柱等[2-3]，國(guó)內(nèi)外對(duì)這些裝置的不同形狀和組合形式進(jìn)行了大量的模擬和試驗(yàn)研究[4-6]，韓曉維等[7]以流道進(jìn)口斷面流速均勻度和流速加權(quán)平均偏流角為進(jìn)流指標(biāo)函數(shù)，對(duì)不同機(jī)組組合運(yùn)行時(shí)的進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)及流道進(jìn)口進(jìn)流條件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)多機(jī)組泵站各臺(tái)泵的運(yùn)行性能與其所在前池中的位置和其他機(jī)組開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)密切相關(guān).

在進(jìn)水池的流態(tài)方面，顏紅勤等[8]發(fā)現(xiàn)應(yīng)盡量避免水泵梁、進(jìn)水池中有檢修平臺(tái)、胸墻等嚴(yán)重影響流態(tài)的建筑物，但并未提出可替代方案；高傳昌等[9]為了解決泵站長(zhǎng)期低水位運(yùn)行的問(wèn)題，采用流體體積(VOF)模型分析了不同水位及開(kāi)機(jī)組合情況下泵站進(jìn)水池的水流流態(tài).杲東彥等[10]發(fā)現(xiàn)在有偏流進(jìn)水條件下采用蝸形進(jìn)水池，能夠進(jìn)一步改善前池來(lái)流流態(tài)；李剛等[11]研究了水泵站與節(jié)制閘聯(lián)合工作的情況，得知閘站之間有相互影響，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化.

文中在以上國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析影響進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)的各個(gè)因素，包括進(jìn)口射流水利結(jié)構(gòu)、河道曲率型線；此外，由于節(jié)制閘流道處存在較大的死水旋渦，因此對(duì)改進(jìn)導(dǎo)流柵長(zhǎng)度、調(diào)整進(jìn)水方式等進(jìn)行研究；綜合上述影響因素，然后以泵各個(gè)進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)均布為目的，得到閘站上游流道設(shè)計(jì)的規(guī)律.

1 數(shù)值模擬

1.1 控制方程和湍流模型

泵站運(yùn)行模式下，流道內(nèi)水流的流動(dòng)屬于不可壓縮湍流流動(dòng).湍流流動(dòng)具有紊動(dòng)性，選用對(duì)三維流動(dòng)運(yùn)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解.

采用商業(yè)軟件Star CCM+，利用有限控制體積法對(duì)雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程進(jìn)行數(shù)值離散，數(shù)值求解方法采用SIMPLEC算法，求解精度為2階，一階殘差收斂精度為10-5，二階殘差收斂精度為10-4.

當(dāng)泵站模式開(kāi)啟后，節(jié)制閘流道閘門關(guān)閉，上游流道和下游流道通過(guò)貫流泵進(jìn)行流量輸運(yùn)，將閘站全流道進(jìn)行簡(jiǎn)化并分別進(jìn)行研究，計(jì)算域如圖1所示.

圖1 閘站上游流道水力模型Fig.1 Hydraulic model of upstream channel of sluice-pumping station

上游計(jì)算流道截止于貫流泵進(jìn)口，計(jì)算域包括進(jìn)口引渠、前池、進(jìn)水池.

1.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

閘站設(shè)計(jì)最高水位為8.50 m，設(shè)計(jì)最低水位為7.00 m.選用8臺(tái)潛水貫流泵作為工作水泵，單泵設(shè)計(jì)流量為10 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為5.27 m，單泵質(zhì)量為16 t，軸向水推力為166.2 kN.

泵站運(yùn)行模式下的邊界條件與泵站開(kāi)啟臺(tái)數(shù)以及自由表面的高程有關(guān)，故設(shè)計(jì)上游流道計(jì)算域的進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口，速度計(jì)算公式為

v=iQd/A，

(1)

式中：i為貫流泵開(kāi)啟臺(tái)數(shù)；Qd為每臺(tái)貫流泵的設(shè)計(jì)流量，10 m3/s；A為上游流道進(jìn)口幾何面積，m3.

上游流道計(jì)算域出口采用自由出流，河面邊界(自由表面)做對(duì)稱平面處理[12]，即Symmetry邊界，并采用自由面剛性假定的方法[13].在河底和兩岸以及泵流道進(jìn)出口邊界采用無(wú)滑移的固壁條件.

多面體網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并且能有效提高網(wǎng)格的質(zhì)量和自動(dòng)化生產(chǎn)網(wǎng)格的效率，因此采用Star CCM+軟件對(duì)上游流道進(jìn)行12面體網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2所示.

圖2 上游流道多面體網(wǎng)格劃分Fig.2 Polyhedral mesh upstream flow channel

為了適應(yīng)湍流模型的需要，在壁面處加密了2層邊界層網(wǎng)格，上游進(jìn)水流道的網(wǎng)格單元體總數(shù)為1 006 101～1 446 772，經(jīng)驗(yàn)證滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求.

2 優(yōu)化方案及模擬結(jié)果分析

2.1 水力特性評(píng)價(jià)指標(biāo)

進(jìn)水池提供的進(jìn)水條件、流道的形狀，將直接影響泵站水泵進(jìn)口水流的水力特性，而泵站下游流道受到泵站上游流道的影響尤其是水泵出口的狀態(tài)影響，因此將通過(guò)泵站進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻度、泵站出口截面水流偏流角2個(gè)方面進(jìn)一步評(píng)價(jià)泵站上游流道的合理性.

2.1.1 泵站進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻度

泵站軸向流速分布均勻度VZ越接近100%，泵站進(jìn)口水流的速度分布越均勻，說(shuō)明流道設(shè)計(jì)越合理，其計(jì)算公式為

(2)

式中：VZ為軸向分布流速均勻度；vai為網(wǎng)格單元i的軸向速度；va為軸向速度平均值；ΔAi為網(wǎng)格單元i的面積；A為泵站進(jìn)口斷面的面積.

2.1.2 泵站出口水流偏流角

泵站出口斷面的水流偏流角θ是指泵站出口斷面水流軸向流速與實(shí)際流速之間的夾角.θ越小 ,出口水流越接近垂直于出口斷面，說(shuō)明流道的設(shè)計(jì)越合理.出口水流偏流角θ計(jì)算公式為

(3)

式中：vti為出口斷面各計(jì)算單元的橫向速度.

2.2 進(jìn)口射流擴(kuò)散角的影響

進(jìn)口射流對(duì)整個(gè)流道流態(tài)的影響較大.前池?cái)U(kuò)散角是影響前池尺寸和水流流態(tài)的主要因素.如果前池?cái)U(kuò)散角不大于水流的臨界擴(kuò)散角，則水流不會(huì)產(chǎn)生脫壁現(xiàn)象，可以避免產(chǎn)生回流[14].

圖3為進(jìn)口射流擴(kuò)散角影響方案示意圖：方案A為原始方案，是一種階梯式射流結(jié)構(gòu)；方案B為無(wú)射流方案，如紅色虛線所示；方案C為大擴(kuò)散角射流方案，即30°擴(kuò)散角方案，如綠色虛線所示；方案D為小擴(kuò)散角射流方案，即10°擴(kuò)散角方案，如紫色虛線所示.4種方案主要對(duì)比有無(wú)射流結(jié)構(gòu)以及射流擴(kuò)散角度對(duì)泵站流態(tài)的影響.

圖3 進(jìn)口射流擴(kuò)散角影響方案示意圖Fig.3 Schematic of designs with inlet jet diffusion angle

圖4為進(jìn)口射流擴(kuò)散角影響方案速度流線圖.圖4a可見(jiàn)，當(dāng)進(jìn)水流道寬度相同時(shí)，速度流線很均勻；而由圖4b可見(jiàn)，當(dāng)上游流道由過(guò)流斷面較小的梯形變?yōu)檩^大面積的矩形時(shí)，存在射流現(xiàn)象，如果流道過(guò)流斷面擴(kuò)散太快，進(jìn)水流道的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng).圖4c和4d分別是較大和較小的流道擴(kuò)散角，可見(jiàn)流道內(nèi)的旋渦發(fā)生明顯改變.

圖4 進(jìn)口射流擴(kuò)散角影響方案速度流線圖Fig.4 Streamlines of designs with different jet diffusion angles

圖5為4種射流影響方案的泵進(jìn)口速度分布云圖，圖中P1—P8分別為8個(gè)水泵進(jìn)口.

圖5 不同射流影響方案下的水泵進(jìn)口速度分布云圖Fig.5 Velocity contours at pump inlet with different jet diffusion angles

圖6，7進(jìn)一步表征了進(jìn)口速度均勻度VZ和出口偏流角θ，最右側(cè)代表第1臺(tái)泵，最左側(cè)代表第8臺(tái)泵.

圖6 射流影響方案下的水泵進(jìn)口截面速度均勻度Fig.6 Velocity uniformity in cross-section at pump inlet with different jet diffusion angles

圖7 射流影響方案下的水泵出口截面速度偏流角Fig.7 Velocity deviation angle in cross-section at pump inlet with different jet diffusion angles

從圖5中可以清晰看出，不存在射流結(jié)構(gòu)時(shí)泵各個(gè)進(jìn)口的速度分布形狀基本一致，且基本與y軸方向呈現(xiàn)對(duì)稱分布，如圖5a所示.而原始方案中由于存在射流，第1—2號(hào)泵進(jìn)口速度明顯小于其他泵進(jìn)口速度，且主速度易偏向流道右側(cè).當(dāng)射流擴(kuò)散角調(diào)整后，各個(gè)泵進(jìn)口速度也得到相應(yīng)調(diào)整，尤其在小擴(kuò)散角情況下，第4臺(tái)泵進(jìn)口速度明顯變小.

由圖6，7可知：4種射流擴(kuò)散角方案中，第1和第8臺(tái)泵的進(jìn)口速度均勻性都優(yōu)于中間位置的第5，6，7臺(tái)泵；其中射流擴(kuò)散角為10°時(shí)，8臺(tái)水泵進(jìn)口速度均勻度相比其他方案均有明顯提升，因此較小射流擴(kuò)散角可以顯著提高水泵進(jìn)口速度的均勻度，且小射流擴(kuò)散角方案各水泵出口偏流角均為最小，能為水泵提供最優(yōu)的入流條件.此外，無(wú)射流擴(kuò)散角方案時(shí)，8臺(tái)泵的偏流角差別最小，進(jìn)口條件最相近.

2.3 流道曲率型線的影響

對(duì)于曲率型線，研究工作多集中在泵站流道一側(cè)，雖然節(jié)制閘流道處曲率較明顯，但是在泵站運(yùn)行模式下，節(jié)制閘流道處于關(guān)閉狀態(tài)，而當(dāng)8臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，第1—3臺(tái)泵內(nèi)流速較低，分布不均，主流速度易發(fā)生偏移，所以對(duì)泵站流道一側(cè)曲率型線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)方案如圖8所示.方案1將擴(kuò)散角改到直線段處，方案2將擴(kuò)散角改到曲線段處，方案3改變曲線段為直線段并適當(dāng)延長(zhǎng)擴(kuò)散段長(zhǎng)度.

圖8 流道曲率型線影響設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.8 Schematic of designs with different channel curvature profiles

圖9為流道曲率型線影響設(shè)計(jì)方案的速度矢量分布.由圖發(fā)現(xiàn)，型線改變使得進(jìn)水流道內(nèi)速度矢量分布更加均勻，但是不同型線的上側(cè)岸邊速度矢量大小不同，其中方案3速度分布最均勻，靠近上側(cè)岸邊的速度低速區(qū)較小.

圖9 流道曲率型線影響設(shè)計(jì)方案的速度矢量分布Fig.9 Velocity vectors with different channel curvature profiles

流線分布如圖10所示，方案3調(diào)整了第1臺(tái)泵進(jìn)水池的型線結(jié)構(gòu)，使主流區(qū)的流線更加光順，使得靠近上側(cè)岸邊的低速旋渦區(qū)變小，且遠(yuǎn)離第1—2臺(tái)泵進(jìn)口，因此貫流泵各進(jìn)口的速度分布更加均勻.

圖10 流道曲率型線影響設(shè)計(jì)方案的流線對(duì)比圖Fig.10 Streamline comparison with different channel curvature profiles

圖11為3種曲率型線設(shè)計(jì)方案下泵各個(gè)進(jìn)口的速度分布云圖.圖12和13分別為對(duì)應(yīng)的進(jìn)口速度均勻度和出口速度偏流角.

圖11 流道曲率型線影響設(shè)計(jì)方案下水泵進(jìn)口速度分布云圖Fig.11 Velocity contours at pump inlet with different channel curvature profiles

圖12 流道曲率型線影響設(shè)計(jì)方案下水泵進(jìn)口速度均勻度Fig.12 Velocity uniformity at pump inlet with diffe-rent channel curvature profiles

從圖11發(fā)現(xiàn)：改變曲率型線后，泵各進(jìn)口的速度分布形狀明顯更加相似，說(shuō)明曲率改變使得進(jìn)水流道流態(tài)更加合理；不僅如此，各個(gè)泵進(jìn)口的速度相對(duì)于y軸更加對(duì)稱，并且相比較仍為藍(lán)線方案3最優(yōu)，紅線方案1和綠線方案2在第1—2臺(tái)泵進(jìn)口的主流速度仍偏向右側(cè)，這與該側(cè)存在低速旋渦有關(guān).由圖12，13可知3種曲率型線下，8臺(tái)泵進(jìn)口依然是第1，8臺(tái)速度最均勻，紅線方案和藍(lán)線方案下，各水泵進(jìn)口都有一定程度改善，其中藍(lán)線方案相對(duì)更優(yōu)，能為水泵提供更均勻的入流.而紅線方案雖然泵進(jìn)口速度均勻度不如綠色和藍(lán)色方案，但出口水流偏流角相對(duì)更小.

圖13 流道曲率型線影響設(shè)計(jì)方案下水泵出口速度偏流角Fig.13 Velocity deviation angle in cross-section at pump inlet with different channel curva-ture profiles

2.4 導(dǎo)流柵長(zhǎng)度的影響

在節(jié)制閘流道前端，由于節(jié)制閘處于關(guān)閉狀態(tài)，常常形成一個(gè)較大的死水旋渦區(qū)，該渦對(duì)第8臺(tái)泵的流態(tài)有一定的影響，因此設(shè)計(jì)改變導(dǎo)流柵的長(zhǎng)度以改變前端的死水旋渦區(qū)[15].

圖14為導(dǎo)流柵長(zhǎng)度影響方案的速度矢量分布圖，方案Ⅰ采用的是原始無(wú)導(dǎo)流柵設(shè)計(jì)方案，其他3個(gè)方案則是延長(zhǎng)靠近第8臺(tái)泵進(jìn)口的導(dǎo)流柵長(zhǎng)度L分別為5，10和15 m.

圖14 導(dǎo)流柵長(zhǎng)度影響方案的速度矢量分布圖Fig.14 Velocity vectors with different flow conditioner lengths

圖15為與圖14對(duì)應(yīng)的流線圖.從圖中可以看出，導(dǎo)流柵長(zhǎng)度確實(shí)可以改變節(jié)制閘流道前的大渦，但是加導(dǎo)流柵后對(duì)整個(gè)進(jìn)口流道流動(dòng)產(chǎn)生了影響，尤其是第1—3臺(tái)泵的進(jìn)口流道條件變差，不僅主流道內(nèi)旋渦變大并延伸到整個(gè)上側(cè)岸邊，同時(shí)泵進(jìn)口流道內(nèi)出現(xiàn)了小的旋渦.

圖15 節(jié)制閘流道加裝導(dǎo)流柵的流線對(duì)比Fig.15 Streamline comparison with different flow conditioners installed at throttle valve flow channel

2.5 節(jié)制閘流道前擋板的影響

圖16為節(jié)制閘流道影響下水泵各進(jìn)口速度分布云圖.從圖中可以看出，L=0方案的速度分布最好，而在節(jié)制閘流道前加擋板，為第8臺(tái)泵進(jìn)口改善流道條件后，第8臺(tái)泵的速度值反而下降，且造成第1—3臺(tái)貫流泵的速度值下降，主流速度更易偏向右側(cè)，速度明顯分配不均.所以，綜合考慮不建議加擋板.

圖16 節(jié)制閘流道影響下水泵進(jìn)口速度分布云圖Fig.16 Velocity contours at pump inlet with different flow conditioners installed at throttle valve flow channel

3 結(jié) 論

以目標(biāo)閘站為研究對(duì)象，針對(duì)上游流道進(jìn)口射流擴(kuò)散角、流道曲率型線、導(dǎo)流柵長(zhǎng)度等因素，研究不同方案對(duì)泵站上游流道流態(tài)的影響，得出以下主要結(jié)論.

1) 在進(jìn)口射流方面，原始階梯式射流結(jié)構(gòu)對(duì)比無(wú)射流、大擴(kuò)散角、小擴(kuò)散角方案，發(fā)現(xiàn)較小的流道擴(kuò)散角可以使流道內(nèi)旋渦明顯改善，水泵進(jìn)口速度更均勻，出口偏流角更小，可為水泵提供更好的入流條件.

2) 流道型線改為直線段并適當(dāng)延長(zhǎng)可以使流線更加光順，各水泵進(jìn)口的均勻度得到提升.

3) 隨著節(jié)制閘流道長(zhǎng)度增大，上側(cè)岸邊的低速區(qū)明顯增大，雖然適當(dāng)延長(zhǎng)節(jié)制閘流道長(zhǎng)度可以改善流道前端的死水旋渦區(qū)，但導(dǎo)流柵同時(shí)會(huì)使泵進(jìn)口條件變差，主流內(nèi)旋渦擴(kuò)大.