泵站侧向进水前池整流措施数值模拟

张亚莉，宋世露，陈 勇，刘 霞，符向前

(1.甘肃省水利厅水利管理局，兰州 730000；2.武汉大学动力与机械学院，武汉 430000；3.肇庆市景丰联围管理局，广东 肇庆 526000；4.湖北省水利水电科学研究院，武汉 430000)

在泵站工程的进水建筑物中，前池、进水池是十分重要的组成部分。前池设置于引渠和进水池之间，它的作用是将引渠和进水池合理地衔接起来，使水流平稳且均匀地流入进水池，为进水池提供良好的流态[1]。目前，国内外学者对泵站进水结构做了大量的研究，但对前池的研究则较为少见，尤其是对侧向进水前池的研究甚少。前池内的不良流态将引起池内泥沙淤积，引发水泵机组的振动、气蚀并降低水泵的效率[2]。

文中针对泵站侧向进水前池的进水流态，采用数值模拟方法对前池尺寸、隔墩[3]对前池流态的影响进行计算，并将计算结果与试验结果进行对比，同时比较不同隔墩形态对前池整流效果的影响，为改善侧向扩散前池流态提供一定参考。

1 数学模型及计算方法

1.1 数学模型

本文中的泵站前池及进水池直接与大气相通，可视为不可压黏性流体的湍流流动进行三维模拟。选择Realizablek-ε湍流模型模拟该流动。前池内流体的流动状态写成张量形式，用连续性方程和动量方程来描述。

连续性方程和动量方程：

(2)

式中：ui,uj(i=1,2,3;j=1,2,3)为流体的速度分量；ρ为流体的密度；P为压强；μ为流体的动力黏性系数；fi单位质量的摩擦阻力。

1.2 模型布置

某泵站属于侧向进水泵站。泵站总装机台数3台，3台水泵同时运行。泵站总设计流量6.6 m3/s，单泵设计流量为2.2 m3/s。泵站进水池设计水位为6.5 m，最高水位7.0 m，最低水位6.0 m，停机水位5.8 m。

从取水管道到前池、进水池部分按照比例全部模拟，见图1。每台泵后接一管道，每条管道各安装一个电磁流量计和流量调节阀，用以调节和监测流量。管道连接到贮水池中，形成一个水循环系统。水泵为卧式离心泵，安装在地面上，试验时先用一小泵将吸水管抽真空，待吸水管内充满水即可开机进行试验。

1-贮水池；2-引水管道；3-进水前池；4-进水池 ；5-循环管道；6-电磁流量计；7-流量调节阀图1 模型布置图

1.3 计算区域与网格

本文的主要研究对象为泵站前池与进水池，因为模型结构比较复杂，故采用非结构化网格对模型进行划分。原方案网格划分结果如图2所示。

图2 计算区域的网格划分

通过网格无关性验证，将网格划分从90万到150万进行试算，之间结果相差不超过1%。最终网格总数在取100万左右，随着前池宽度和长度的变化，涡流防止装置的布置，以及水位的变化而略有不同。

1.4 边界条件

进口位置取在进水前池上游的半径为300 mm的取水管道入口位置，采用速度进口条件。出口位置取在泵吸水管的入口断面处。本文中，因未知出口断面的速度和压力，并假设出口处流动已完全发展，故在出口位置延长直径100 mm，长1 m的管道。此时，可认定出口边界对计算区域的影响较小，速度梯度为0。出口边界条件设置为自由出流。固壁表面符合无滑移壁面条件，设为无滑移边界条件(x，y，z方向上的速度分量均为0)。假设前池及进水池流动达到稳定，即水体自由表面保持不变，自由表面上边界条件指定为对称面边界条件，符合静水压力假定，没有变量穿越该表面。

2 方案设计及结果

泵站进水前池未经处理，开启1～3号水泵，水位为最高水位7.0 m时，0.6H截面处的流速分布图，见图3。

图3 水位7.0 m，开启1～3号水泵，0.6H截面流速分布图

2.1 方案设计

改善前池流态的方法[4]可以分为2大类。一类是改进前池的尺寸，一类是在前池尺寸确定的情况下增加改善流态的措施[5]。为了全面的研究这两类情况对前池流态的影响，共设置6个方案，见表1。方案1～4主要改变前池的尺寸，方案5设置隔墩，方案6调整隔墩为翼型，观察以下情况下该泵站的流速分布图。

表1 各方案对前池流态的影响

2.2 方案效果分析

比较图4(a)～4(d)，可得出在加宽、减宽、加长、减短前池的情况下，从截面流速分布图4中可以看出，前池内依然出现明显的大回流漩涡。1号机组、2号机组进水池进口的水流出现明显的偏流，只有3号机组水流是平行、均匀地进入前池的。

比较图4(e)、4(f)，可以看出，增设隔墩之后1号、2号机组进水池进口的水流发生了变化，方案5中在与引水管道出口相连的泵站前池设置两个隔墩。隔墩宽0.5 m，两隔墩与原隔墩成60°角，以期望达到分流及导流的作用。隔墩端部与原隔墩对齐，布置图如图5。但是1号机组、2号机组进水池进口的水流出现明显的偏流，只有3号机组水流是平行、均匀、无涡地进入进水池的。方案5比原方案在前池流态上改善不大。图4(f)中，1号、2号机组进水口水流流态发生了明显变化，流态基本平稳无涡，起到了明显的调节作用，方案6方法有效。

图4 各方案在水位7.0 m，开启1～3号水泵，0.6H截面流速分布图

图5 方案5隔墩布置图

绕孤立翼流动是改善流场结构的有效措施之一[6,7]。根据方案5的试验结果分析，以及翼型原理，设计了方案6。设计两个翼型，具体形状及布置见图6。两翼型隔墩将来流均分为3等份。

图6 方案6翼型隔墩布置图

方案6实现了改善侧向进水前池水流流态，因此在方案6的基础上，调整隔墩尺寸，以期达到更好的调节作用。调整后速度分布图如图7所示。

图7 调整翼型隔墩尺寸后速度分布图

3 结 语

基于CFD技术，分析了湍流模型对泵站的前池内流体流态的适用性，并绘制相关模型，分析了不同方案下对前池流态的影响。得出了以下结论。

(1)相对于标准k-ε模型、RNGk-ε模型，Realizablek-ε模型能够更加精确的对某泵站前池流态模拟。

(2)引水管道、进水前池与进水池三者的流态息息相关，不良的引水管道形式会对前池流态产生不良影响，进而影响泵站水力稳定性。因此，要改善进水流道的流态，就必须针对引水管道出口水流分布的特点，设置一定的导流整流措施改善前池流态，使进水前池及进水流道的水流均匀、顺直、平稳、无涡。

(3)对于某泵站来说，前池宽度对流态影响不大；在地形地势及经济条件允许的情况下，加长前池的确能够获得更平稳的流态。

(4)针对某泵站引水管道不良形态来流，采用翼型隔墩的整流的方式是可行的。翼型隔墩的长短、形状、位置应根据来流形态，漩涡位置等综合考虑，并不断尝试以最终获得良好的整流效果。

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[1] 刘 超，水泵及水泵站[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009．

[2] 张贤明，吉庆丰．泵站前池流态的数值模拟[J]．灌溉排水，2001,20(1):35-38.

[3] 周龙才．泵站前池隔墩整流的数值分析[J]．长江科学院院报，2010,27(2):31-33.

[4] 高传昌，刘新阳，石礼文，等.泵站前池与进水池整流方案数值模拟[J].水力发电学报，2011,30(2):54-59.

[5] 成 立，刘 超，周济人，等.泵站侧向进水流态及其改善措施机理探讨[J].排灌机械，2001,19(1):31-34.

[6] 谷传纲，陈 西，苗永淼.不可压缩实际黏性流体绕流孤立翼型的数值研究[J].空气动力学报，1988,6(2):190-196.

[7] 关 键，郭 正.绕翼型低雷诺数流动的数值仿真[J].科学技术与工程，1988，13(24):7 275-7 281.