导流墩布置形式对泵站前池流态影响分析

2018-05-07刘亚萌

中国农村水利水电 2018年4期

刘承，陈奇，蒋劲，刘亚萌

(1.武汉大学动力与机械学院水力机械过渡过程教育部重点实验室，武汉 430072；2.湖北省水利水电科学研究院，武汉 430072)

泵站前池连接着引渠和水泵进水口，它的结构设计对于为水泵提供理想进水条件起到十分重要的作用，如果设计不合理会使得泵站进口处产生大尺度的涡流、回流和斜流，造成较大的水力损失，进而使水泵发生空化，引起机组振动，降低泵站效率。但是由于地形、施工等因素的限制，泵站前池的结构设计无法做到最优化，或者在最优的结构设计下，泵站进水口的水流流态依然不理想时，可以考虑在泵站前池合理设置导流墩以改善泵站进口处的流态。

本文以湖北省咸宁市嘉鱼余码头第二泵站为研究对象，采用CFD数值方法和模型试验相结合的手段，分析导流墩对大型泵站进水流场的影响，观察流态变化，为泵站前池设置导流墩以达到改善流态效果提供参考。

1 研究对象

余码头第二泵站工程总投资1.238 亿元，总装机3×2 700 kW，设计排水流量为64 m3/s，主要由引水池、泵房、灌溉渠、出水渠等组成，新泵站对原引水渠进行扩挖，新、老站共用新引水渠。泵站的河道、引水渠及前池的设计水位根据实际要求设为22.53 m；引水渠进口的总流量为128 m3/s，新老泵站全部运行时，两泵站入水口的流量相等，即新老泵站进水口的流量分别为64 m3/s。水流由河道进入引水渠，进入新老泵站的进水前池。其中，老泵站前池总长30 m，前池前端长20 m，宽度渐缩，顶部高程17 m，坡度1∶36.4；前池后端长10 m，宽43.35 m，高程16.45 m。新泵站前池总长18.5 m，右侧为导流墩，入口宽度33.22 m；前端长10.5 m，坡度1∶5，顶部高程17 m；后端长8 m，入口处宽度21.4 m，高程14.9 m。引水渠底部与河道底部高程均为17 m(见图1)。

图1 泵站前池模型示意图Fig.1 Pump station forebay model diagram

2 数学计算模型

2.1 湍流模型

数值仿真采用RNGk-ε模型。RNGk-ε模型来源与严格的统计技术，通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动系统地从控制方程中去除。

RNGk-ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，包括快速应变、中等涡、局部转捩的复杂剪切流动情况(如边界层分离、块状分离、涡的后台阶分离等)。这些特点使得RNGk-ε模型在本次泵站导流墩流场模拟中有更高的可信度和精度。

2.2 VOF多相流模型

泵站自由液面模拟采用VOF多相流模型，VOF的基本原理是由定义的一个f值来表示自由面上流体的体积变化，f的值为网格单元上流体体积通量的变化、网格本身体积二者之比。其方程表达式如下：

(1)

式中：f的值是随流场变化的，在有流体域的网格内取值为1，在无流体点上取值为0。

在不考虑剧烈相变的前提下对于不可压缩流体，结果连续性介质的特点，f的值是不随质点的运动而改变的，因此其倒数满足：

(2)

对f进行积分可得：

(3)

则VOF模型的方程表达式如下所示，它主要表征了在计算流体网格中流体所占网格单元的体积比例。

(4)

2.3 边界条件及网格划分

对计算域进行网格划分，网格扭曲率Skew小于0.4，网格质量良好，符合工程仿真要求，网格总量550 万个(见图2)。采用VOF非定常法设置各个边界条件，进口采用速度边界，根据设计流量128 m3/s的要求，求得入口的速度为0.408 m/s，新站的设计流量为64 m3/s，各个泵的出口速度为2.228 m/s，老泵站的设计流量为64 m3/s，各个泵的出口速度为0.832 m/s，交界面采用Interface进行对接；上表面设置为大气压，即101 324 Pa，VOF中空气值为1，水的值为0；其他面均为壁面，设置为wall，初始水面高度为5.53 m。

图2 计算域及网格划分Fig.2 Computational domain and meshing

3 仿真结果及分析

3.1 无导流墩数值模拟

图3(a)和图3(b)分别为在无导流墩布置下泵站进水流道10%水位(即池底距水面距离的1/10处，下同)和50%水位处的速度分布云图，图4(a)和图4(b)分别为泵站前池10%水位和50%水位处的流线分图。可以看出：从流道扭面区域开始出现小规模循环涡流，并逐渐向后发展，在引水渠外侧形成巨大规模的循环回流，在泵站进水口前的流态十分紊乱，水流方向产生较大偏斜，不利于泵站取水。因此，考虑在流道中设置导流墩。

3.2 布置导流墩数值模拟

本文选取直线导流墩和曲线导流墩两种类型进行数值模拟计算如图5所示。

图3 速度分布云图(单位：m/s)Fig.3 Velocity distribution

图4 流线图(单位：Pa·s)Fig.4 Streamline distribution

图5 导流墩方案布置图Fig.5Layout of diversion pier

河道中左侧弯道处流速较高，根据水流的流动状态，本方案在此处设置了直线导流墩，对应与之平行的右前方同样设置了一处，直线导流墩长21 m，厚0.9 m，2个导流墩的摆放位置如图5(a)所示。

曲线导流墩方案将直线导流墩改为2个曲线形导流墩，摆放位置不变，在主来流区域，提前进行导流分流，其中内侧壁面曲率半径为100 m，外侧壁面曲率半径为101 m，导流墩长度和摆放位置与直线形导流墩方案相同，如图5(b)所示。

图6(a)和图6(b)分别为布置直线导流墩和曲线导流墩10%水位处流速分布云图，图7(a)和图7(b)分别为布置直线导流墩和曲线导流墩50%水位处流速分布云图，图8(a)和图8(b)分别为布置直线导流墩和曲线导流墩10%水位处流线图，图9(a)和图9(b)分别为布置直线导流墩和曲线导流墩50%水位处流线图。可以看出：直线导流墩对来流的转向效果较差，流场全局流速分布不均匀，流速突变明显；在曲线导流墩条件下，流速分布更为均匀，变化平稳，无流速突变。此外，直线导流墩后方低速区延伸距离较长，对来流的阻碍作用较为明显，而相对于直线导流墩，曲线倒流墩条件下的流场外侧流速值较大，水流流向河道外侧的趋势增强，可提高新站取水条件。因此，在曲线导流墩条件下，河道内外两侧流速值差距减小，截面速度变化梯度降低，可以使来流更均匀的流入引水渠。

4 水工模型试验

4.1 模型试验设计

进行模拟实验时为更加真实有效的反映出流体的运动特征，需要在模型与实物之间建立适当的相似关系，这种相似被称为力学相似，一般在实物与模型相对应点的几何外形、运动状态、受力情况都能够保持一定的相似。

(5)

式中：X为某一物理量(如图特征长度，加速度等)；p、m分别为原型和模型；r为比例尺。

本次泵站水工模型试验的研究采用的是弗劳德模型。

(6)

图6 10%水位处速度分布云图(单位：m/s)Fig.6 Velocity distribution on 10% of water level

图7 50%水位处速度分布云图(单位：m/s)Fig.7 Velocity distribution on 50% of water level

图8 10%水位处流线图(单位：Pa·s)Fig.8 Velocity distribution on 10% of water level

图9 50%水位处流线图(单位：Pa·s)Fig.9 Velocity distribution on 50% of water level

Frp=Frm

(7)

速度比例尺在该弗劳德模型中，不是作为主要的比例尺，而是重力作为主要的因素，故弗劳德模型也成为“重力相似弗劳德模型”，主要适用于水工结构、明渠水流、波浪阻力和闸孔出流等现象的模型试验中(见图10)。最终采用模型与实际线性比例尺为1∶30，比例尺计算值如表1所示。

表1 水工试验模型比例尺计算表Tab.1 Scale calculation of hydraulic model test

图10 水工模型试验现场图Fig.10 Site of site hydraulic model test

模型试验的主要观测数据有：①水位测针布置上游水位测点M1，用于记录进水渠进口水位；布置前池水位测点M2，用于实验过程中的水位控制；为了观测各机组进口前横断面的水位差，又分别在新站1号、3号机组、老站2号、8号机组前布置4个水位观测点M3、M4、M5、M6。各水位测点如图11所示。②使用高精度流速仪测量水工模型水流流速大小，截取了A-A、B-B、C-C、D-D共4条直线，每条直线采集5个点的流速数据，采集10%和50%水位高度2种。每组水位高度条件下的流速数据采集点位置如图11所示。③薄壁堰板测量泵站上、下游流量大小：泵站取水口采用三角堰进行流量测量，新、老泵站矩形堰进行测量。④在模型试验过程中，试验工作主要围绕水工模型的流态描述来进行，即在不同的导流墩布置形式，不同工况条件下，对泵站进口、新老泵站的流量，以及流速大小、分布以及流态进行观察和描述，并拍照进行记录。

4.2 试验结果及分析

在无导流墩、布置支线导流墩和布置曲线导流墩三种情况下，分别对每个断面10%水位和50%水位处各个测点的流速进行测量，并将试验值、数值模拟计算的流速值经过比例尺换算后，以及两者的误差值列入表2～表4(每个测点上面一行数据为10%水位处的数据，下面一行为50%水位处的数据)。

在无导流墩时，A3、B3、B5测点处流速误差值偏大；在布置直线导流墩时，A3、B3、B5、C1、C2测点处流速误差值偏大；在布置曲线导流墩时，A3、B3、B5、C5处流速误差值偏大。误差较为明显的测点主要集中在老站前池两侧和引水渠内外两侧。对于测点A3、B3误差较明显的主要原因在于：数值模拟中，老站内侧区域(靠近新站)的水流受到隔流墩的阻碍作用，出现明显滞流现象，流速相对较低，而在实验中并未出现明显的低速区域。对于测点A5、B5、C1和D1处误差较大的主要原因在于：该区域流速较低，流速测量时的数据波动所占比重较高。对于测点C5、D5处误差较大的主要原因在于：由于导流墩对来流的阻碍作用，使导流墩附近及后方小范围区域的流速波动较为明显。