单侧向泵站进水前池流态数值模拟与改善

韩 峰，梁金栋

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

0 引 言

泵站进水建筑物通常包含引渠、前池及进水池，前池流态影响水泵运行性能的发挥及泵站安全运行，工程设计时应予以高度重视。泵站进水分正向和侧向两种，正向进水泵站往往容易获得良好的流态，侧向进水时，进水池、引河轴线形成一定角度，将不可避免地发生大尺度回旋、断面流速分布不均匀等等不良流态[1-3]。回流区的存在会引起泥沙淤积，同时会导致进水池流态紊乱，降低水泵运行效率，甚至引起机组振动，影响安全运行。为改善前池流态，工程上可采用修建导流墙[4]、设置导流栅以及修建底坎[5,6]等措施。本文结合徐州市某灌溉泵站进行研究，该泵站为单侧向进水，现场运行前池流态较差，存在面积较大的回流区，进水池进口水流偏斜严重，特别是靠引河侧机组，进水池隔墩头部出现旋涡，电机功率及运行噪声明显高于其他机组。

前池流态改善研究通常采用模型试验法及数值模拟法。模型试验方法具有直观、形象的特点，但需要消耗很多的人力和物力，研究的周期长，研究的方案也受到限制。随着计算机技术及数值计算方法的不断改进，三维紊流数值模拟方法已越来越多地应用于前池流态研究[3-5,8,11]。

1 数值模拟计算

1.1 控制方程

大型泵站前池三维湍流数值计算的控制方程，包括连续性方程、动量方程以及k-ε湍流模型中的k方程和ε方程[2,3]。

1.2 三维几何模型

徐州市某泵站为单侧向进水泵站，引河与泵站轴线夹角约为105°，平面布置如图1所示。该站共安装5台1300ZLB-5-6型立式轴流泵，采用进水池进水。单泵设计流量为5 m3/s，泵站设计流量为25 m3/s，站下设计水位13.5 m，设计净扬程5.2 m。通过商务软件NX 9.0进行实体建模，包含引渠、前池及进水池，三维模型如图2所示。

本文主要研究前池流态，考虑到水泵叶轮旋转对进水池流动影响很小[7]，为减小计算工作量，本次未对水泵进行模拟，代以进水直管，但对原水泵吸水喇叭管进行了模拟。

图1 模拟区域平面图

图2 模拟区域三维图

1.3 边界条件设定

计算机仿真分析中，边界条件设定对结果的精度和可信度有重要影响，本文以泵站的设计参数为依据，边界条件的具体设定如下：①进口边界：引渠进水口设定静压进口，压力值为1 atm；②自由水面：前池、进水池表面为自由水面，忽略空气对水面产生的切应力及热交换，采取对称边界处理[8,9]；③固体壁面：引河，前池，进水池的边壁均设为无滑移的壁面；④出口边界：出口设置在水泵进水管，设定为质量流出口，单泵流量为5 000 kg/s，总流量25 000 kg/s。计算步数设为1 000 步，收敛精度设为10-5。

1.4 网格无关性检验

由于模型边界复杂，采用了非结构化网格划分生成三维网格。网格总数从180万开始递增至400万，发现网格数量达到约300万后同一模型数值模拟的流速均匀度结果相差控制在2%以内，本文后续的计算取网格总数336万左右。

2 无整流措施时的流态分析

图3为泵站在设计水位工况运行时的前池水流表面状态。由图可见，因前池出现回流，前池漂浮物集中于靠来流侧的进水池前部，占前池总面积40%以上。图4为无整流措施时泵站运行前池面层的三维迹线图。由图4可见，前池内存在3个较大范围的回流区，其中弯道处及进水池右侧前部的回流范围较大，旋转强度也较大。进水池左侧翼墙前部的斜坡位置回流范围较小，旋转强度也明显较弱。前池内主流受回流区的压迫明显偏向左侧，右侧进水池进口流态产生偏斜，以最右侧机组最为严重。对比图3 、图4，计算结果与现状运行状态基本吻合。

图3 泵站实际运行流态图

图4 原始方案三维流线图

3 工程措施对前池流态改善的数值计算

无整流措施时泵站前池流态紊乱、回流区面积较大，应采取适当的工程措施加以改善。

3.1 方案设计

该工程为弯道进水，属于单侧向进水。根据对前池内无整流措施时的流态分析，结合文献[2,3,5,8]，该工程拟采用导流墩或导流栅措施进行流态改善。当水流流过导流栅时，由于栅条产生的水动力反作用于水体，使得水体向内壁倾斜，从而抵消了惯性力的部分影响，限制了弯道内侧水体的扩散效应，能有效消除脱流区。同时导流栅还可以从结构上防止断面上的二次回流，抑制前池中的螺旋流动[2]。表1所列为用于分析比较的3种整流措施。

表1 整流方案设计

图5 整流方案示意图

3.2 整流方案前池流态

图6(a)、(b)、(c)分别为方案1、方案2、方案3底层流态迹线图，图7(a)、(b)、(c)分别为对应的面层迹线图。

图6 底层流态迹线图

图7 面层流态迹线图

3.2.1 前池流动迹线图分析

由图6及图7可见：方案1在面层对前池两翼回流区面积压缩有限，且导流栅处引发了新的回流区；底层回流区面积压缩较为明显，但导流栅处的回流区面积仍较大。方案2在面层对前池两翼回流区面积的压缩效果相对方案1提升明显，底层回流区几乎消失，迹线也更为顺直。方案3不仅面层对前池两翼的回流区压缩最为明显，底层迹线也最为顺直。

3.2.2 进水池处流速分布均匀度分析

为了定量分析前池流态，本文引入进水池进口断面流速分布均匀度这一指标进行评价[11,12]。面积加权流速分布均匀度Vuna的计算公式为：

(1)

如图8，水流流速均匀度计算断面位于进水流道内。根据公式(1)计算出包括无整流措施方案在内的4个方案的流速分布均匀度见表2。由表2可知，无整流措施时泵站进口的均匀度最差，仅为79.6%。在3种整流措施方案中，方案1流速均匀度最好，较原始方案高出11.3%，方案2的流速均匀度较原始方案高出5.6%，方案3的流速均匀度较原始方案高出9.8%。

图8 断面位置示意图

3.2.3 综合分析

综合比较3种整流方案的迹线图和泵站进口处流速分布 均匀度，方案1仅在引河与前池交界处设置一导流墩，流速分布均匀度最佳，但对于前池回流区的抑制效果甚微，并在导流墩处产生了新的回流区。方案2在弯道处设置一组导流栅并紧接一底坎，抑制前池回流区的表现优于方案1，但流速分布均匀度为三方案中最小。方案3在方案2的基础上于进水池前增设了一组导流墙，该方案对前池回流区抑制效果最好，流速分布均匀度与方案1基本相当，优于方案2，综合效果最佳。

表2 流速分布均匀度计算结果

4 结 语

应用CFD技术，分析了某单侧向进水泵站的前池流态，基于三维紊流数值模拟，得出以下结论：

(1)单侧向进水泵站的前池流态紊乱几乎不可避免，有必要采取工程措施进行流态改善，以保证泵站安全、经济运行。

(2)在弯道设置单个曲型导流墩对于面积较大的前池效果有限，设置一组多个导流栅能达到较好的效果。

(3)底坎对流态的进一步改善发挥了重要作用，在单侧向进水泵站中，相比单独设置导流栅，采用导流栅与底坎的组合整流方案可以更好地改善流态。

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