徐存東，李嘉明，王榮榮，田俊姣,2，劉子金，王 燕,3，許 續(xù)

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南省水工結(jié)構(gòu)安全工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046；3.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

泵站是灌區(qū)的重要組成部分，泵站前池內(nèi)部水流流態(tài)對泵站的工作效率、壽命以及各機(jī)組的進(jìn)水條件等有重要影響。尤其在多沙河流中，泵站前池內(nèi)的不良流態(tài)會造成前池內(nèi)泥沙淤積嚴(yán)重，劣化泵站各機(jī)組的進(jìn)水條件，降低泵站運(yùn)行效率及壽命，甚至導(dǎo)致泵站的安全事故，對附近地區(qū)的社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響[1]。因此開展多泥沙河流泵站前池水沙流場特性的研究對提高泵站水力穩(wěn)定性、降低泵站運(yùn)行維護(hù)投入、保障泵站系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行具有重要意義。

為改善泵站前池的內(nèi)部流態(tài)，國內(nèi)外學(xué)者對泵站前池的水力特性及泥沙沉積規(guī)律開展了大量的研究。竇元之等[2]采用水力模型試驗(yàn)法，研究了清水條件及不同來沙條件下不同擴(kuò)散角方案的前池流態(tài)及泥沙淤積情況，研究表明，前池擴(kuò)散角取25°或30°兩種方案，對應(yīng)的水流流態(tài)及防淤效果表現(xiàn)較好。徐存東等[3]在對多沙水源引水的側(cè)向進(jìn)水泵站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，引入逆向工程技術(shù)，建立了淤積狀態(tài)下的泵站前池(原位泵站前池)與非淤積狀態(tài)下的泵站前池(原型泵站前池)三維幾何模型，分析了不同開機(jī)組合對前池流態(tài)的影響，研究表明，側(cè)向泵站機(jī)組對稱開啟可改善前池流態(tài)。資丹等[4]為解決泵站前池和進(jìn)水池內(nèi)的旋渦問題，構(gòu)建了組合式導(dǎo)流墩并展開前池流態(tài)數(shù)值模擬，研究表明，組合式導(dǎo)流墩對前池及進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)改善作用明顯。劉超等[5]針對開敞式泵站進(jìn)水池，利用紊流模型對進(jìn)水池及吸水管道內(nèi)部的水流流動狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了泵站進(jìn)水池內(nèi)水流的運(yùn)動特性，提出了泵站進(jìn)水池的最優(yōu)設(shè)計控制尺寸。羅燦等[6]提出了底坎、立柱、底坎+立柱等3種前池流態(tài)改進(jìn)措施，并對不同導(dǎo)控措施下的側(cè)向進(jìn)水前池內(nèi)部流態(tài)開展了模擬研究，結(jié)果表明，設(shè)立矩形底坎能顯著改善前池流態(tài)。Constantinescu等[7]通過使用Standardk-ε方程對前池的內(nèi)部旋渦強(qiáng)度及其分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對比數(shù)值模擬及模型測試得出的前池內(nèi)部旋渦結(jié)構(gòu)和分布情況，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與模型測試結(jié)果高度吻合，并表明數(shù)值模型的選取和不同邊界條件的選擇將會對旋渦強(qiáng)度及其分布產(chǎn)生較大的影響。

綜上分析可知，目前針對泵站前池流場及泥沙特性所開展的研究大多采用數(shù)值模擬方法，受研究方法和手段的限制，且現(xiàn)有研究多是清水工況條件下的原型泵站結(jié)構(gòu)流場特性研究，而針對原位泵站結(jié)構(gòu)流場的研究比較匱乏，研究成果對于水源含沙提水泵站工程不具普適性。本文以景電灌區(qū)某典型正向進(jìn)水泵站前池為研究對象，通過現(xiàn)場測量、逆向工程技術(shù)等方法，分析泵站引水含沙量和水流實(shí)際流態(tài)，同時獲取原位泵站前池三維幾何模型，為數(shù)值模擬探索不同開機(jī)組合對泵站前池水沙流場特性的影響提供基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)場調(diào)查

1.1 典型泵站前池概況

選取景電灌區(qū)內(nèi)淤積狀態(tài)具有代表性的正向進(jìn)水泵站前池作為研究對象，該泵站設(shè)計流量6.0 m3/s，泵站前池設(shè)計水位為1 604.45 m，共裝備8臺機(jī)組，其中1號和8號機(jī)組為備用機(jī)組，5號機(jī)組的設(shè)計流量為1.6 m3/s，對應(yīng)的吸水管管徑d=1 000 mm，其余機(jī)組的設(shè)計流量為0.88 m3/s，吸水管管徑均為d=800 mm。

1.2 原位前池點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

為對原位泵站前池三維幾何模型的重構(gòu)提供基礎(chǔ)圖件，需對該典型泵站進(jìn)行現(xiàn)場掃描，進(jìn)而獲取淤積狀態(tài)下泵站前池的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過Leica Scan Station P30三維激光掃描儀對淤積狀態(tài)下的泵站前池開展多站點(diǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)前池點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集工作，并通過Cyclone軟件對已獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪及準(zhǔn)確度驗(yàn)證后獲得準(zhǔn)確的原位泵站前池點(diǎn)云數(shù)據(jù)[9-10]，如圖1所示。

圖1 原位前池點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.1 Point cloud data of in-situ forebay

1.3 原位泵站前池現(xiàn)場測流

采用HXH03-1S超聲波多普勒測速儀對實(shí)際工況下的泵站前池開展現(xiàn)場測流工作，測流時，泵站處于設(shè)計工況條件運(yùn)行，測點(diǎn)選取在距后壁2.0 m、水深1.0 m處，共布置15個測點(diǎn)，泵站結(jié)構(gòu)及測流點(diǎn)位如圖2所示?，F(xiàn)場測流結(jié)果經(jīng)整理后可用于驗(yàn)證數(shù)值模型可靠性。

圖2 泵站前池結(jié)構(gòu)及測流點(diǎn)位示意圖Fig.2 Structure of forebay of pumping station and scheme map of flow measurment point

2 數(shù)值模型構(gòu)建與驗(yàn)證

基于計算流體動力學(xué)(CFD)理論，采用FLUENT軟件中的Realizablek-ε湍流模型耦合考慮相間滑移的Mixture模型進(jìn)行泵站前池水沙流場特性數(shù)值模擬，其中對流項(xiàng)選用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散[11-12]，體積分?jǐn)?shù)方程離散格式選擇QUICK格式，采用基于壓力修正法的SIMPLE算法進(jìn)行流場耦合[13]，迭代殘差精度不低于10-3。

2.1 控制方程

選取Mixture模型對前池內(nèi)部展開固-液兩相流模擬，則Mixture模型控制方程[14]為

(1)

(2)

相對滑移速度為次相(第二項(xiàng))p對于主相(第一項(xiàng))q的速度，表達(dá)式為

當(dāng)我們回顧百達(dá)翡麗世界時間腕表發(fā)展的歷史進(jìn)程，會發(fā)現(xiàn)東八區(qū)最初代表城市是北京，而后改為香港并一直沿用至今。2018年5月27日，正逢北京源邸十周年之際，百達(dá)翡麗正式宣布“World Time世界時間腕表”系列東八區(qū)代表城市將于2019年正式回歸“北京”。十年，百達(dá)翡麗不斷創(chuàng)新，以記錄光陰銘記歲月的方式，同中國消費(fèi)者共同見證時代的變革與發(fā)展。如今，世界時間腕表東八區(qū)代表城市回歸北京這一宏偉的革命性舉措，無疑是對中國精英階層的獻(xiàn)禮，更是對歷史的回敬。百達(dá)翡麗世界時間腕表即將正式進(jìn)入“北京時間”。

vpq=vp-vq

(3)

則漂移速度與相對速度的關(guān)系為

(4)

由次相p的連續(xù)性方程可得次相體積分?jǐn)?shù)方程為

(5)

式中：P為靜水壓力；ρm為水沙兩相流密度；g為重力加速度；μm為混合流黏滯性系數(shù)；F為體積力；vm為兩相流平均流速；ρm為第k相的密度；vdr,k為第k相的漂移速度；αm為第k相的體積分?jǐn)?shù)；vk為第k相的流速；mpq、mqp分別為p相到q相和q相到p相的質(zhì)量傳遞。

2.2 邊界條件和初始條件

由于前池尺寸及泵站流量已知，則前池進(jìn)口邊界按速度邊界條件設(shè)置，進(jìn)口流速經(jīng)計算后確定為0.911 m/s；出口水流流動視為全發(fā)展流動，出口邊界選用outflow邊界條件；對固壁邊界，選用無滑移條件作為邊界條件，并通過標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對近壁邊界進(jìn)行處理；前池自由表面無大范圍波動，故將前池自由表面設(shè)為symmetry邊界[15]。將水沙兩項(xiàng)流體設(shè)為計算介質(zhì)，將水設(shè)為主相，ρ水=998.2 kg/m3，沙設(shè)為次相，ρ沙=2 740 kg/m3。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知，灌區(qū)引水含沙屬于極細(xì)顆粒沙土，將泥沙相視為單一粒徑的均勻沙進(jìn)行模擬。

2.3 原位泵站前池幾何模型逆向重構(gòu)與網(wǎng)格劃分

逆向工程技術(shù)是采用相應(yīng)的軟件和技術(shù)將某一實(shí)物通過精確光學(xué)儀器掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并借助一定的三維幾何模型構(gòu)建方法對該物體的CAD模型進(jìn)行重構(gòu)的過程[16]。

通過借助逆向建模軟件Geomagic warp將處理后的原位泵站前池點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面修補(bǔ)、重建，獲得原位泵站前池三維幾何模型，通過ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)完善，計算域模型如圖3所示。網(wǎng)格劃分中，吸水管道網(wǎng)格類型選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部位選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分[17]，以計算域內(nèi)入口至進(jìn)水池段的水流水頭損失進(jìn)行模擬結(jié)果網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，在綜合考慮模擬精度以及經(jīng)濟(jì)性問題后確定網(wǎng)格數(shù)，共2 286 622個，網(wǎng)格劃分示意圖如圖4所示。

圖3 原位泵站前池計算域模型Fig.3 Computational domain model of in-situ forebay of pumping station

圖4 原位泵站前池網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Mesh division schematic map of in-situ forebay of pumping station

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 原位泵站前池流場水沙特性模擬分析

通過模擬得出以設(shè)計水位高程為基準(zhǔn)的原位泵站前池不同水深特征斷面流速分布矢量圖，如圖5所示。

圖5 原位泵站前池不同水深流速分布矢量圖Fig.5 Velocity distribution map of in-situ forebay of pumping station with water depth

分析圖5(a)可知，泵站原位前池表層水流由于受機(jī)組流量布置不均勻及前池內(nèi)泥沙淤積的影響，整體流速較低，主流有嚴(yán)重偏右趨勢且擴(kuò)散效果較差，前池兩側(cè)形成大范圍不對稱旋渦回流區(qū)，且旋渦中心接近前池中部區(qū)域，使主流無法流至進(jìn)水池段；分析圖5(b)(c)可知，中層斷面上，前池兩側(cè)所淤積的泥沙已占據(jù)部分過水通道，前池內(nèi)過水通道明顯變窄，水流流速較表層有所提升，但依舊有嚴(yán)重的右偏情況存在，旋渦回流區(qū)面積有所減小并向前池末端轉(zhuǎn)移，主流可擴(kuò)散至進(jìn)水池段；分析圖5(d)可知，泵站進(jìn)水池深層區(qū)域無流速分布情況顯示，其原因?yàn)檫M(jìn)水池深層空間已被泥沙完全占據(jù)，水流無法通過，故課題組對原位泵站前池內(nèi)部近底泥沙淤積特性展開了進(jìn)一步模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 原位前池近底泥沙體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Volumetric fraction distribution near the bottom of sediment of in-situ forebay of pumping station

分析圖6可知，原位泵站前池的底層空間和前池兩側(cè)的中下層空間已被泥沙淤積體占據(jù)，同時，通過對圖5的分析可知，原位泵站前池內(nèi)的低速旋渦回流區(qū)范圍隨著水深的增加而逐漸減小，由于低流速水流的挾沙能力遠(yuǎn)低于高流速水流挾沙能力，故原位泵站前池內(nèi)深層的泥沙淤積情況較表層相對嚴(yán)重。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本吻合，初步驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。

3.2 數(shù)值模型分析驗(yàn)證

將模擬結(jié)果與現(xiàn)場測流相同點(diǎn)位的流速值進(jìn)行對比，結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果各點(diǎn)位流速值與現(xiàn)場實(shí)測值吻合度較高。利用平均絕對誤差分析法[18]和均方根誤差分析法[19]對數(shù)值模型模擬結(jié)果開展誤差分析，計算結(jié)果分別為0.183和0.029，綜合以上分析，本文選用的數(shù)值模型滿足精度要求，可用于進(jìn)一步的模擬研究。

3.3 不同開機(jī)組合的原型泵站前池水沙流場特性模擬分析

為研究不同開機(jī)組合對原型泵站前池水沙流場特性的影響，共設(shè)計4種不同的開機(jī)組合方案，其中方案1為設(shè)計工況，方案2～4的備用機(jī)組分別為2號和7號機(jī)組、3號和6號機(jī)組以及4號和6號機(jī)組。針對原型泵站前池，采用與原位泵站前池相同的網(wǎng)格劃分方案，經(jīng)網(wǎng)格優(yōu)化和無關(guān)性驗(yàn)證后，單元格總數(shù)為2 810 459個。選取水深1.5 m為研究斷面，通過數(shù)值模擬獲取不同開機(jī)組合下的流速分布矢量圖及近底泥沙體積分?jǐn)?shù)分布圖，如圖7、圖8所示。

圖7 不同開機(jī)組合下原型泵站前池水流流速分布矢量圖Fig.7 Flow velocity distribution map of in-suit forebay of puming station under different start-up combinations

圖8 不同開機(jī)組合下原型泵站前池近底泥沙體積分?jǐn)?shù)分布Fig.8 Volumetric fraction distribution of sediment near the bottom of in-suit forebay of pumping station under different start-up combinations

由方案1的模擬結(jié)果分析可知，泵站前池內(nèi)流態(tài)較紊亂，流場分布不對稱，主流略微向右偏移，水流流速較低，前池內(nèi)泥沙大量淤積于前池右側(cè)大范圍低速回流區(qū)，由于兩端機(jī)組未開啟，在進(jìn)水池兩端泥沙淤積明顯并向進(jìn)水池中部延伸，且其余機(jī)組前的水流方向與吸水管方向均存在一定夾角，嚴(yán)重惡化了機(jī)組進(jìn)水條件。

分析方案2、3模擬結(jié)果可知，隨著泵站機(jī)組逐漸向兩端開啟，流量分布逐漸趨于均衡，前池內(nèi)主流右偏趨勢有所好轉(zhuǎn)，流場分布趨于對稱，水流流速有所提升，泥沙淤積明顯區(qū)域依舊在前池內(nèi)低速旋渦回流區(qū)。與方案1相比，前池及進(jìn)水池內(nèi)泥沙淤積強(qiáng)度和范圍以及低速回流區(qū)面積有所減小，主流的擴(kuò)散效果略有提升，但各機(jī)組前的水流與吸水管之間的夾角仍較大，進(jìn)水條件依舊較差。

分析方案4模擬結(jié)果可知，與前3種方案相比，由于只將開啟5號機(jī)組作為中間機(jī)組，流量分布更加均衡，前池內(nèi)流態(tài)進(jìn)一步改善，流場分布對稱性良好，主流無偏移且擴(kuò)散效果有所提高，泥沙淤積強(qiáng)度和范圍與2、3方案相比略有減小，同時，進(jìn)水池內(nèi)水流方向與吸水管道進(jìn)水方向之間的夾角有所減小，各機(jī)組進(jìn)水條件略有改善。

綜合以上分析，對于原型泵站前池，在設(shè)計工況下，前池內(nèi)部流態(tài)紊亂，存在較嚴(yán)重的不良流場，泥沙淤積情況也較嚴(yán)重，隨著泵站兩端機(jī)組的對稱開啟，前池內(nèi)流場和流態(tài)均有所改善，泥沙淤積強(qiáng)度和范圍有所減小，但由于低速旋渦回流區(qū)的存在，泥沙淤積問題無法徹底解決。相對于以上4種不同的開機(jī)組合方案，方案4從前池流態(tài)以及泥沙分布情況上均表現(xiàn)出一定優(yōu)勢，這一結(jié)果對多機(jī)組泵站的機(jī)組布置設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

a.利用現(xiàn)場實(shí)測及逆向工程技術(shù)等方法獲得了原位泵站前池三維幾何模型，并對其進(jìn)行水沙流場特性數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果吻合。通過對原位泵站前池模擬結(jié)果與現(xiàn)場測流結(jié)果進(jìn)行分析比較，定量驗(yàn)證了數(shù)值模型在本次研究中的可靠性，表明本文所采用的數(shù)值模型模擬結(jié)果可較為準(zhǔn)確地模擬泵站前池內(nèi)的流場。

b.分析不同開機(jī)組合方案下進(jìn)行的原型泵站前池水沙流場特性模擬結(jié)果可知，隨著開機(jī)運(yùn)行機(jī)組逐漸向兩端布置，整體的流場結(jié)構(gòu)趨于對稱，流態(tài)有微弱改善，主流擴(kuò)散效果有所提升，泥沙淤積范圍有所減小，結(jié)果表明應(yīng)盡量保持機(jī)組對稱開啟且保證開啟兩端機(jī)組。

c.對于該典型泵站正向前池，通過改變開機(jī)組合的方式雖對原型泵站前池的水沙流場特性具有一定的改善作用，但效果不明顯，可進(jìn)一步考慮開展前池長度、擴(kuò)散角、底部縱坡等其他結(jié)構(gòu)因素以及相關(guān)工程措施對原型泵站前池水沙流場特性影響的研究。