圆形立柱对侧向进水泵站前池流态的影响及其整流机理

周 曼, 周春峰, 周艳霞, 许 龙, 成 立*

(1. 扬州大学水利科学与工程学院, 江苏 扬州 225009; 2. 南京市水务局水务设施管理中心, 南京 210036;3. 江苏省盐城市大丰区农业农村局, 江苏 大丰 224100; 4. 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200093)

受地理位置限制,部分泵站前池为侧向进水,前池水流易出现回流、流速不均等现象[1], 导致水泵的汽蚀和振动[2], 降低水泵工作效率、缩短使用年限,严重时危害泵站安全．改善前池流态的措施一般包括优化前池的长度和扩散角,设置底坎[3]、立柱、导流板、压水板和导流墩等．周济人等[4]利用示踪物准确描绘出回流、漩涡区域来分析立柱和底坎的整流原理; 夏臣智等[5]采用Fluent软件分析单排方柱数目、位置和宽度等参数对前池流态的影响,确定最优参数以改善流态;罗灿等[6]利用CFD技术对加设了立柱、隔墩和隔板的前池流态进行模拟; 资丹等[7]采用CFD技术对前池和进水池进行数值计算,分析了组合式导流墩的整流机理．目前的研究主要针对正向进水前池中的底坎、导流墩和方柱等, 关于侧向进水前池单排圆形立柱整流机理的研究较少．本文采用CFD技术[8]模拟圆形立柱参数对侧向进水前池流态、回流区范围和流速均匀度的影响,确定最佳整流方案,为相关泵站设计提供参考．

1 数学模型及计算方法

1.1 数学模型

1.2 模型参数

本文以某泵站侧向进水前池为研究对象, 前池模型和圆形立柱示意图如图1所示．一期泵站有4台侧向进水水泵, 为了向徐州市丰沛地区输送更多的水, 缓解该地区用水紧张的状况,后在原引渠侧向方位修建了二期泵站,含5台水泵, 单泵流量均为2.5 m3·s-1．相关参数包括吸水管直径D0, 进水池宽度B, 圆形立柱中心至进水池距离L, 圆形立柱直径D, 立柱间距L1, 设置立柱区域总长L2, 立柱高度H, 立柱数量N．断面1-1为行近流速断面, 距离进水池0.4D0, 断面2-2为模型进口断面．

1.3 边界条件设置

将引渠、前池、进水池和水泵内的水体作为计算区域, 按照水流方向确定边界条件, 将引渠断面作为质量入口[11], 设流量为22.5 m3·s-1, 湍流率为5%; 将出水管断面作为自由出流口, 壁面采用标准壁面函数[12], 忽略液体表面与空气之间的热传导作用．

1.4 网格无关性分析

计算采用CFX软件, 离散格式为一阶迎风格式．对引渠、前池和进水池采用非结构化网格化分．为确定合理的网格计算数量, 设计了不同尺寸的网格化分方案, 网格数分别为69.8万、91.4万、117.4万、143.7万、169.3万、191.7万、220.9万、250.3万、281.2万和310.4万．网格质量评判指标为引渠、前池、进水池和吸水管的水力总损失Hf=(Pin-Pout)/(ρg), 式中Pin和Pout分别为进口断面2-2和吸水管出口断面的压强;g为重力加速度, 取9.8 m·s-2．图2为不同网格数量模型水力损失的计算结果．由图2可知,网格数量少于220万时, 水力损失数值波动较大, 当网格数超过220万时, 水力损失变化较小, 故以网格数为220万进行计算, 网格质量为0.83．

2 研究方案

为研究圆形立柱的整流机理, 设计了如表1所示的9组方案: 方案1～3研究单排立柱与进水池的距离L对流态的影响; 方案3～5研究立柱间距L1的大小对流态的影响; 方案4、6～7研究立柱直径D对水流的影响; 方案6、8～9研究立柱间距L1一定时, 立柱数量N对水流的影响．各参数详见表1．

表1 圆形立柱整流方案

3 计算结果分析

图3和4分别是不同整流方案下的前池面层流线图, 行近流速和流速均匀度图．由图3(a)、4(a)可知, 无圆形立柱时, 边坡处有较大范围的回流, 断面1-1流速分布不均, 1、2号机组流速较小, 其余机组的流速较大．流速过大会加速水泵的磨损, 流速较小又降低水泵的效率, 所以本文通过加设圆形立柱以改善前池流态．模型试验中以Froude准则为基础, 模拟泵站前池进水流态, 预演出前池的回流区域,并用光电式旋浆流速仪测定流速．对比试验测得的断面1-1的行近流速值(见图4(a)), 1号机组至5号机组的流速逐渐增大,数值模拟结果与模型试验结果的数值大小及变化趋势基本一致, 表明该数值模拟方法适用于研究侧向进水前池整流问题．

3.1 立柱与进水池距离对流态的影响

对比图3(a)～(d)可知, 二期泵站设立圆形立柱后边坡处的回流区的范围明显缩小,流速更均匀．方案1中单排圆形立柱因距离进水池较近,靠近回流区, 故没有足够距离让水流充分碰撞,进水池内流态仍有待改善．方案2中单排圆形立柱离进水池较远,故立柱较早地改变了流入二期泵站的水流方向,使之与二期泵站中轴线的夹角加大,加重弧形导流壁的负担, 不利于提高机组流速均匀度．方案3中单排圆形立柱位置适中,较多的水流绕过立柱流入立柱与边坡之间,流速较大,使得边坡处的回流区范围缩小,同时有足够的距离进行能量交换和流速调整．由图4可知,方案3的行近流速更均匀,流速均匀度较高．

3.2 立柱间距对流态的影响

由图3(d)～(f)可知,当单排立柱总长一定时, 圆形立柱间距L1对进水池流态和回流区范围均有明显的影响．由于方案4的立柱间距较小, 阻水分流效果明显,大部分水流绕过两侧立柱,流往边坡处,使得两侧水流速度增大,回流区范围显著缩小．方案3和方案5的圆形立柱间距较大,阻水分流作用较弱,回流区范围较大,影响进水池流态．由图4可见, 方案4流速均匀度相对较高,且回流区较小, 整流效果较好．

3.3 立柱直径对流态的影响

对比图3(e)(h)可知, 立柱直径较大的方案7与方案4相比,其绕过圆形立柱的水流因断面减小, 流速迅速增大,可破坏边壁处较大范围的脱流区,缩小回流区范围, 但是立柱后的高速水流没有充分实现能量交换,反而使得1号和5号机组流速较高, 断面1-1各机组流速均匀度差异较大(见图4)．对比图3(e)(g)可知,方案6中流向立柱两侧的水流与方案4相比较少, 结合图4分析, 方案6中1号和5号机组的流速也比方案4有所降低,流速更均匀, 阻水分流效果较明显,同时直径较小也有利于节省工程土建投资．但立柱直径不宜过小, 否则阻水分流作用不明显．

3.4 立柱数量对流态的影响

对比图3(g)(i)(j)可知,立柱间距一定时立柱个数对进水池流态的影响．方案8中立柱个数较多, 水流绕过一期泵站侧立柱直接流入一期泵站, 使得5号机组前的流速比方案6和9的流速小(见图4(a)), 流速更加均匀．方案6和方案9立柱个数较少, 绕过一期泵站侧的立柱的水流均有部分流向二期泵站, 故其断面1-1的行近流速均匀度与方案8相比较低(见图4(b))．对比图4中方案8和原方案的行近流速和流速均匀度可知,加设立柱后回流区范围缩小,1号机组前的流速加大,4号和5号机组流速减小,行近流速断面流速分布和均匀度提高,流态改善效果明显．

3.5 圆形立柱整流机理分析

上述研究表明, 在侧向进水前池中设置距离进水池为31.05D0, 直径为1.03D0, 数量为7根, 间距为2.49D0的单排圆形立柱, 可有效缩小边坡处的回流区, 提高断面1-1的流速均匀度,有效改善流态．图5为单排圆形立柱的整流原理图, 由图5可知,水流绕过圆柱后,在下游发生分离,形成高速水流区,高速水流与周围水体充分碰撞、混掺,进行动量和能量的交换,使得机组前流速均匀度提高．又因为单排圆柱具有阻水分流作用,使流速的大小和方向均发生变化,水流向圆形立柱两端流动,增加了边坡处水流的动量,从而可以破坏边壁处较大范围的脱流区,缩小回流区的范围．本计算模型中包括2个侧向进水前池,前池水流相互影响,绕过一期泵站侧立柱的水流与二期泵站中轴线的夹角扩大,可使部分水流直接流入一期泵站,减小二期泵站侧弧形边壁的导流负担,从而有效降低5号机组前的流速,提高行近流速均匀度．回流区的大小和机组流速均匀度均受到圆形立柱位置、大小、间距和数量的不同程度影响,圆柱应布置在适当位置,同时圆柱间距越大、数量越少,其阻水分流效果越不明显．