三维数值模拟在泵站侧向进水前池的应用

王芳芳，吴时强，肖 潇，况曼曼

(1. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029； 2. 河海大学，江苏南京 210098； 3. 长江科学院，湖北武汉 430010)

泵站布置形式按照进水方式不同可分为正向进水和侧向进水两种[1]。但是，受来流条件、实际地形和其他客观因素的限制，有时不得不采用侧向进水的布置形式[2]。侧向进水指前池来流方向和前池中的主流方向存在夹角，此时由于弯道水流的运动特性在前池中容易产生主流脱壁、回流、漩涡等不良流态，难以形成良好的水泵进水条件[2]，影响泵站机组的安全运行。

侧向进水泵站前池水流流动现象比较复杂，属于侧向取水的水力现象，侧向取水水力特性研究已经取得一定的成果。数值模拟方面，针对侧向取水现象，H.Chen等[3-4]采用的是二维紊流模型，不能很好地反映前池流场的三维特性；V.S.Neary等[5]进行了三维层流数值模拟；R.I.Issa等[6]首次用三维紊流模型模拟了T型分叉结构的两相流，用标准κ-ε模型封闭三维雷诺平均的Navier-Stokes方程，采用壁函数处理固定边界；V.S.Neary等[7]考虑了高低雷诺数对壁函数的影响，采用κ-ε紊流模型对横向取水口的内部水流进行了数值模拟；曹继文等[8]用各向异性的雷诺应力模型封闭方程组，研究了明渠岸边横向取水口水流特性。针对正向取水口进水前池，林锦霖[9]采用基于VOF方法的紊流模型对高水头小流量电站进水前池流场进行了三维模拟，刘超等[10]分析了底坎设置对整流效果的影响。而侧向进水口水流流态要复杂得多，印超等[11]用三维数值模拟分析弯道连接的进水前池设置底坎和导流板的整流效果，弯道与岔道有着本质的区别，同时并未考虑前池整流措施对涡量分布和水头损失的影响。

本文以古德洛尔电厂一期工程[12]侧向进水前池和部分明渠为研究对象，利用三维紊流数值模型，分析了整流措施对水流流速和涡量的影响，提出了改善前池流态的整流措施。古德洛尔电厂一期工程采用带机力通风冷却塔的海水循环水系统，设一座循环水泵房，安装循环水泵4台(3 用 1 备)，每台流量3 500 m3/h；海水淡化水泵3台(2 用 1 备)，每台流量590 m3/h；消防水泵1台，水泵流量410 m3/h。

1 三维紊流数学模型

1.1 基本方程

泵站进水前池水流属复杂的三维紊流流态，可采用雷诺方程描述，并利用RNGκ-ε双方程紊流模型封闭Reynolds方程，形成泵房流道三维水流数学模型控制方程。方程组包括：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 数值方法和边界条件

控制方程采用有限体积法进行离散，采用SIMPLEC算法计算流场。边界条件为：(1)进口边界：泵站进口处，流速和压强条件未知，假设充分发展流动，采用自由出流边界条件；(2)出口边界：泵站出口处采用速度入口边界条件，通过给定流量定义各出口流速值；(3)边壁处理：采用壁面函数法处理；(4)自由表面：泵站流量很小，水面变化不会很大，可采用刚盖假定方法处理自由表面。

1.3 网格划分

图1 古德洛尔电厂一期工程修改方案Fig.1 Modified phase-Ⅰ program of Cuddalore pumping station

古德洛尔电厂一期工程为侧向前池进水，原方案中未设置上部岔道(二期取水渠道)，且未增设导流孔、立柱和胸墙的部分。由于一期与二、三期取水明渠共用，导致一期取水水流流态复杂化。对泵站进水流态进行数值模拟，分析泵站前池流态、流速分布、漩涡等水力特性，最终提出变直道为岔道及在前池入口增设一排整流孔和在泵站入口加设胸墙措施，分别用来减小二、三期引水对一期泵房流道前池的影响和调整横断面流速、涡量分布不均情况，修改方案见图1。

鉴于电厂泵站前池几何形状较为复杂，为满足计算精度要求，计算范围包含了部分引水明渠沟，并与前池一起进行了网格布置。前池区域由于其形态复杂采用了非结构网格布置，局部加密网格，网格单元最小尺寸为0.2 m，引水明渠和进水流道均采用结构化网格布置，网格单元最小尺寸为0.5 m，垂向分层剖分。原方案划分网格总数约为3.7×105个，修改方案网格数增加约5.3×105个，修改方案前后划分网格见图2。

(a) 原方案 (b) 修改方案图2 网格划分Fig.2 Mesh generation

2 模型验证

为了验证数学模型的可靠性，选定一、二期流量均为12 090 m3/h工况，分别选取了典型断面平均流速矢量的物理模型实测结果与数学模型计算结果进行对比验证。图3(a)标注了选取的典型控制断面位置(断面A～D)。由图3(b)～3(e)可见，计算结果与物模试验结果吻合良好，误差基本在20%以内，这表明数学模型及选用的参数是合理的，可用于模拟流道复杂水流流态。

(a) 各断面位置 (b) 断面A速度分布 (c) 断面B速度分布

(d) 断面C速度分布 (e) 断面D速度分布图3 模型验证Fig.3 Model verification

3 前池水流特性分析

3.1 流场分析

通过比较方案修改前后进水前池水流流向流速分布(图4)可看出，原方案流速分布存在较大的偏流现象，主流靠近右岸，最大流速达到0.3 m/s，而左岸流速仅为0.1 m/s左右，中间偏右位置急剧过渡；修改后方案进水前池整体流速分布比较均匀。可见，增设整流孔措施可以有效纠正泵站前池水流偏流现象，改善流速分布不均衡的不良流态。

泵站进水前池水流均匀程度对整个前池流态影响较大，特别是偏流严重会在前池内产生大范围的漩涡和回流，导致水泵机组振动等。为了定量分析修改方案对流速分布均匀程度的影响，取前池典型横断面流速分布，以断面流速分布均匀度Vu为目标函数，进一步分析方案修改前后流态改善情况。因为前池进水口处断面流速分布均匀程度直接决定了下游泵站进口处流速分布，所以取距前池进口6 m处(整流孔稍下)断面分析修改后前后断面流速分布特征，如图5所示。由图5可见，原方案流速分布在右岸局部集中较大，左岸整体流速较小，左右比例约为1:7，偏流较为严重，而修改方案断面流速分布整体均匀，有明显的波峰、波谷交替现象，这是因为导流孔间隔排列的作用，随着水流沿程调整可以更加均匀。

(a) 原方案 (b) 修改方案图4 三维流速等值线分布Fig.4 Contour of 3-D velocity distribution

(a) 原方案 (b) 修改方案图5 典型断面流速分布Fig.5 Velocity distribution along the typical cross-sections

建立断面流速矢量分布均匀度Vu目标函数：

(5)

计算可得，原方案典型断面的底层、中层和表层流速分布均匀度分别为32%，31%和32%；修改方案的分别为45%，46%和71%，较修改方案分别增加41%，48%和122%。

3.2 漩涡特征分析

流速不均匀分布会引起前池内整个区域的漩涡，如果流速比较大，整体漩涡会加剧前池内水流紊乱，同时吸入杂质进入泵站入口，易造成水泵的堵塞、磨损加剧等危害，严重影响泵站安全运行。图6给出了前池涡量场分布情况。由图6(a)知，原方案水流惯性作用必然会引起前池内整个区域的大漩涡，横向流动严重，修改方案(图6(b))采用整流孔和整流墩联合使用，可看到整流后进水前池内流线分布得到很好地改善，横向流速基本消除，泵站入口水流平顺。

取进水前池典型的3个纵断面(沿水流方向)涡量分布，如图7所示。可见，原方案涡量较大处集中在底坡变化处(图7(a))，前池进口和末端底坡变化处水流涡量增大。修改方案虽然导流孔消除了前池大范围的漩涡(图7(b))，但是也增大了附近局部水流涡量，延伸至下游又明显减弱。为了保证泵站入口底部水流的流通性与均匀性，在前池末端泵站入口前增加胸墙来改善水流底部流态，比较可见，胸墙的设立有效地消除了前池末端处的涡量集中现象，保证胸墙后底部水流平顺进入泵站进口区，同时，胸墙后区域墙底水流层出现强度较小的横轴漩涡，涡体大、强度小，对入口流态影响不大。

(a) 原方案 (b) 修改方案图6 三维流线分布Fig.6 Distribution of 3-D streamline

3.3 水头损失

分别取方案修改前后进水前池对称四等分断面y=4和y=12(见图3(a))表层压力值换算水面线高程(见图8)，可得出整流措施特别是整流孔对水头损失的影响，同时对称面水面线高程还可以反映明渠进口和前池内水面分布特征。由图8中y<0区域(即明渠内)4条水面线可知，前池进口前明渠段在整流前后水面均沿程壅高，且修改后壅高坡降较原型增大；y>0区域(即前池内)，整流后由于局部水头损失增大水面降低。此外，对比对称断面水面线可以看出前池内水面基本水平。

4 结 语

(1)概述了泵站侧向进水前池数值模拟研究进展，鉴于横向岔道不均匀取水前池流态复杂，需要进行三维数值模拟研究；

(2)基于fluent软件建立三维水流数值模型，模拟研究了泵站侧向取水前池水流三维特性，由于弯道引起的水流偏流现象严重，前池形成大范围漩涡，造成前池内水面波动较大，流态恶劣，影响下游机组运行；

(3)以古德洛尔电厂一期工程为例，对比了方案修改前后侧向前池进水流态的流速、涡量和水面线分布特点，修改方案利用整流孔和立柱增加了前池进口段水流流速分布的均匀性，大大消减了前池内大范围漩涡，保证了前池水面的平稳，泵站进口设立胸墙破坏局部漩涡、消除水面波动，有效改善进口水流条件。

参 考 文 献：

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