多机组泵站双侧向前池水流流动数值模拟研究

顾梅芳，孙锋明，陈新华，杨晓红

(1.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏 无锡 214431； 2.江阴市璜土水利农机管理服务站，江苏 无锡 214431; 3.江阴市南闸水利农机服务站，江苏 无锡 214431； 4.江阴市水利工程公司，江苏 无锡 214431)

0 引 言

泵站进水前池基本类型为正向进水前池和侧向进水前池,其中侧向前池与进水池水流方向正交或斜交，池中易形成回流区，流态紊乱，对水泵机组影响较大，降低水泵工作效率，甚至引起振动[1-3]。泵站侧向进水前池的水流流动规律，相关学者研究较多，有关学者通过数值模拟展示了侧向前池的流态和流速分布等流动特征，并提出可行性的整流措施[4-5]，但关于双侧向进水前池水流流动研究较少。双侧向进水前池适用于水泵机组台数较多，且采用锥形前池土建投资过大的情况。由于来流弯曲90°进入进水池的不佳进水条件，且受到进水池后壁阻挡，池内流态较为紊乱，须对双侧向前池水流流动规律进行研究。

1 工程概况

某多机组泵站工程共14台机组，水泵单机流量1.0 m3/s，总流量14 m3/s，站下设计水位1.3 m，底高程-0.7 m。由于引水渠穿过灌溉中央区域，为减小土方开挖与建设投资，故采用双侧向前池。双侧向前池平面示意图见图1。

图1 双侧向前池平面示意图

2 数学模型与网格划分

根据该泵站引水建筑物布置图，应用大型商用建模软件UG NX 6.0，按照1∶1比例，建立泵站引水渠、双侧向前池草图按照设计水位拉伸成水流三维数学模型；进水池按照剖面图通过拉伸、旋转及扫略等功能建立三维数学模型，再通过复制14台机组，该泵站双侧向前池三维模型见图2。

通过顶级网格划分工具ICEM CFD软件采用块方式对该泵站引水渠、双侧向前池及进水池水流区域划分为结构化网格。块方式分为模块一与模块二，模块一为引水渠、双侧向前池，模块二为进水池。其中，进水池网格划分较为复杂，需要通过点、线、面关联及O型网格划分，再通过镜像及转移复制等功能建立14台水泵机组网格。合并引水渠、双侧向前池网格与14座进水池网格，交界面设置interface。结构化网格优点是网格质量高，计算时间短，更容易收敛，更能迎合流场方向，离散误差小，可以提高计算精度及准确度。

本工程网格单元数为355 200，节点数为320 852，网格质量决定性评价指标0.45以上，该模型网格质量为优。进水池结构化网格见图3。

图2 双侧向前池三维示意图

图3 进水池网格示意图

3 控制方程

控制方程采用三维雷诺时均N-S方程来描述该泵站双侧向前池不可压缩湍流流动，方程式如下:

雷诺时均N-S方程：

4 边界条件设置

在fluent计算中，采用Realizable(可实现)k-ε模型，一阶迎风格式；进口设置为速度进口；出口设置为outflow(自由出流)；水流与空气接触面设置为symmetry(对称)；河道所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为5×10-4。

5 计算分析

采用先进的CFD计算流体动力学方法，对多机组泵站双侧向前池进行水流流动预测。分析内容主要为双侧向前池表层、中层水深水流流态及流速分布及三维水流流态，并提出相关结论与工程措施。

5.1 水流流态及流速分布

依据图4(a)，从表层水流流态来看，表层水流从引水渠平顺过度到双侧向前池，进水池水流回流严重，水流流动方向朝向闸门后消失，表明表层水流存在翻滚至底层现象。从图4(b)中看出，表层水流流速大小分布朝闸门方向逐渐递减，最小分布等级为0～0.25 m/s；两侧进水池区域流速分布处于低速区，这与进水池水流流态不佳有关。

图4 双侧向前池表层水流特征

依据图5(a)，1 m水深水流在双侧向前池流至进水池时流动方向不连续，表明水流在进水池区域里存在三维空间回流。图5(b)中，0～1.5 m/s流速分布等级区域范围较图4(b)略有减小，尤其进水池0～0.25 m/s流速分布区域减小明显，流动均匀性略好。

图5 双侧向前池1 m水深水流特征

5.2 进水池进口断面流速分布

图6是该泵站两侧进水池进口断面流速分布示意图。图6中，进水池从左到右是按照引水渠水流流动方向依次排列。从图6中可以看出，较大流速分布在进水池进口断面底部及管道中心区域，进水池进口断面顶部为低流速分布区域，流速分布较为不均匀；从引水渠到闸门，进水池进口断面较大流速分布范围越来越大，流动均匀性越来越好。

图6 进水池进口断面流速分布示意图

5.3 双侧向前池三维流态

图7是该泵站双侧向前池三维流态示意图。图7反映了三维水流经过双侧向前池遇闸门或90°转弯存在翻滚至底层的现象，导致进水池区域流态非常紊乱。两侧进水池水泵进水管均采用弯管管道，一定程度上避免池内紊乱流态对水泵机组工作的影响。同时由于90°进水、弯管进水管道及回流流动的影响，一定程度上降低了水泵额定工作效率。

图7 双侧向前池三维流态图

综上所述，多机组泵站采用双侧向前池具有土方开挖少、投资资金少等优点，但也存在两侧进水池区域回流严重、水流翻滚等现象及水泵弯管进水管90°进水等不良进水条件降低水泵工作效率等缺点。需要采用隔墩隔开两侧进水池区域整流等工程措施。

6 结 论

1) 双侧向前池中进水池区域水流回流严重，水流流动方向朝向闸门后消失，存在翻滚至底层现象。

2) 表层水流流速大小分布朝闸门方向逐渐递减，两侧进水池区域流速分布处于低速区。

3) 1 m水深水流在双侧向前池流至进水池时流动方向不连续，进水池区域里存在三维空间回流。

4) 0～1.5 m/s流速分布等级区域范围较表层水流略有减小，尤其进水池0～0.25 m/s流速分布区域减小明显，流动均匀性略好。

5) 从引水渠到闸门，进水池进口断面较大流速分布范围越来越大，流动均匀性越来越好。

6) 三维水流经过双侧向前池遇闸门或90°转弯存在翻滚至底层的现象，导致进水池区域流态非常紊乱。

7) 两侧进水池水泵进水管均采用弯管管道，由于侧向进水、弯管进水管道及回流流动的影响，一定程度上降低了水泵额定工作效率。