基于ANSYS-FLUENT模拟计算下泵站池流场特性分析研究

张世发

(南陵县机电排灌管理站(养马滩排涝站工程管理处)， 安徽 南陵 241300)

1 概述

由于地区水资源分布匮乏，需考虑从富水地区调度水资源[1-3]，因而需要修建泵站引水工程，服务于工农业及生活需水。泵站作为重要水利工程，其长久稳定运行能极大促进地区水资源供需，提高水资源开发度与高效利用，泵站稳定运行与泵站各部分附属结构工程息息相关，其中泵站前池为联通引水池与渠道的重要载体，前池内流体运动稳定关乎输水安全，故而针对泵站前池流场分析具有重要意义[4-5]。已有基于水动力学理论研究了二维状态下泵站前池运行状态，准确预判泵站运行过程中前池流场特征[6-8]。另外还有学者采用水工模型试验，如高传昌等[9]研究了前池内中心区域与末端壁面处流态特性。当然，亦可采用流场数值模拟手段[10-13]，研究不同状态下的前池流场，为泵站安全运行提供重要参考，保障泵站引水工程安全。

2 流场分析理论

由于本文研究对象为泵站前池流场特性，而在前池流场中并不是仅存在流体介质，另还存有悬浮泥沙等固体物质，因而研究流场特性不应忽视多场耦合状态，故本文引入Mixture多相耦合模型方程。

Mixture模型连续性方程可表述为：

(1)

运动平均速度为：

(2)

式中αk为第k相体积分子。

故得到动量方程为：

(3)

流体质点间相对速度可采用下式计算：

(4)

为保证Mixture模型在有限元插分计算时，不会出现多相场之间某一相场抵消与增强，因而将运动相对速度设定为代数关系，即为：

(5)

第二相场质点运动时间τqp为：

(6)

式中dp为第二相场质点尺寸。

扰力系数fdrag为：

(7)

即在不考虑相场间的运动干扰而致出现滑移速度，在流场外第二相场的体积微分方程为：

(8)

另外由于泵站前池特点，壁面边界条件不同于流场与悬浮泥沙固体场，需引入近壁模型表述流场边界面的壁面状态，方便于求解边界上的流场形态。近壁模型以修正湍流运动长度，如下式：

(9)

修正后湍流运动粘性系数：

(10)

式中fμ指雷诺修正系数。

流场边界面上的运动阻尼函数为：

fμ=1-exp[-(a1R+a2R2+a3R3+a4R4+a5R5)]

(11)

壁面与多相场接触系数：

(12)

通过上述分析，选择合适的有限元单位体构建模型，利用ANSYS-FLUENT有限元求解与流场后处理软件，获得泵站前池场中流态特征。

3 工程概况

西北某地区修建有一引水工程，承担着区域蓄水调水水资源调度重要作用，该水工建筑包括有前池、出水池以及其他控制设备建筑。泵站设计提水流量为11 m3/s，每年提水流量指标为1.5×108m3，承担农田灌溉面积为2万hm2，共建泵站10台，装机电量超过7×104kW，极大缓解了地区内缺水，为当地修建绿色防护林提供重要水资源来源。设计输水管直径为1.4 m，泵站装机高程达1 610 m，前池底部高程为1 613 m，池内流量为15 m3/s，采用侧向进水结构形式，池内设置有隔墩，另在中部区域设置有底坎，减弱水流对前池冲击磨损。输水渠道贯通至区域内中度缺水状态乡镇，缓和当地农业需水与生活需水缺口。由于泵站设计使用年限较久，不仅出水池有较多泥沙悬浮，在泵站前池中泥沙含量较高，淤泥沉积量已达池容积50%，长此以往对水道上的输水管以及涵渠等水利设施均是较大的磨损，甚至会导致管路堵塞，影响泵站输水效率。泵站前池在侧向设计有进水口，水流方向平行于水泵，由于输水管设计原因，泵站正向、侧向视图前池现状如图1所示。

图1 泵站前池现状示意

现场地质踏勘及水质检测表明，池内悬浮泥沙粒径分布在0.02～1 mm，其中小于0.075 mm的粒径占比达到90%以上，即悬浮泥沙基本上都属细粒沙。现场观测泵站前池内水流状态，水流方向与输水管产生交接，水流状态较为错乱，流场局部区域可见显著回漩涡，加重水流的往返运动，造成输水能耗多次消耗，增加输水成本。另外，泵站场址内以耕种栗钙土和砂壤土为主，厚度最大约为7 m，分布普遍是较薄的砂壤土，由于水土流失严重，部分地表可见磨蚀的岩层，岩性主要为花岗岩，呈半风化特征。利用超声波流速测试仪测试现场实地，水面层流速约为0.02～0.55 m/s，流速处于较动荡分布状态，池内进水口左右两侧流速呈现一高一低，在中间地带会有局部漩涡，考虑现场监测仪器观测仅仅停留在表面层，对池内各深度流态特征观测缺乏，因而本文将综合工程资料，以数值手段分析泵站流态特征。

4 泵站前池流态特性

4.1 原设计前池与淤积后前池

前池结构示意如图2a所示，其基本形态及结构尺寸均在结构平面图中标出，方便在ANSYS中建立数值模型(如图2b所示)，由于前期实地观测得知该泵站前池淤泥沉积已超过容积1/2，故建立淤积状态下前池模型，并在ANSYS中划分出网格单元(如图3所示)。

图3 淤积前池模型示意

a 前池剖面

原设计前池利用SOLID65为基本构成微单元体，共划分2 001 064个网格，节点数845 848个；淤积状态下前池利用SOLID45与SOLID65模型构成单元体，共划分1 962 654个网格，节点数783 671个。模拟工况以1#、2#、3#、4#、5#、6#泵站开启，7#、8#、9#、10#泵站关闭状态，且含沙量为2.1 kg/m3、泵站流量为10.6 m3/s、拦污栅流速值为0.45 m/s时，开展模拟计算。在ANSYS-FLUENT求解中，以ANSYS计算两相场基本特征参数，包括水力半径、耗散能等，再利用FLUENT开展后求解分析，获得侧向前池内水沙两相场流场特征。

图4为前池原设计模型不同深度处池内流场分布示意，包括分布云图与矢量图。从图4中可看出，原设计前池水流表面的流场内存在回流现象，约占流场分布面积的50%，最大流速超过1.05 m/s，且表层流速分布范围较广，从0～1.05 m/s均有涉及，并未出现有主流速，即每个范围流速均有一定流动性，故而流态分布较为紊乱；最大流速主要位于池壁边缘处，漩涡回流主要位于池内中间及部分与水流方向呈较大夹角之处，分析表明表面层由于水泵提水作用，搅乱了水流主向进入前池内的平行方向，进而水流方向呈现一定倾斜，漩涡回流显现，流场分布矢量图中亦可看出。随着计算水深增大至1 m、3 m，漩涡流速分布范围有所降低，且均出现主流速，深度1 m处主流速范围为0～0.22 m/s，大流速分布面积缩减，入口处流速相比水面表层降低，在各深度壁面处由于泵站运行影响，随深度增大，流速值增大，且愈深出现漩涡回流范围愈少，深度3 m处漩涡回流分布范围最少，表明前池原设计考虑到了泵站运行与吸水管对池内流速方向扰动的双影响，通过控制吸水管流量与泵站运行频率，减少了对池内更深水流的影响，仅在水面表层出现回旋涡等现象。

(a)水流表面

图5为淤积状态下泵站前池流场分布云图示意。从图5中可看出，相比原设计模型水流表面层，淤积状态下由于泥沙悬浮影响，在边壁面处聚集较多漩涡回流，各个范围流速阶梯性显著，形成过多小漩涡，且漩涡总分布面积超过池内面积2/3，即淤积状态下回流漩涡范围更广了。另外由于过多漩涡占据了水流表面层，导致主流流速只能倾向于左侧边壁流动，且愈向池内中间区域，主流愈发无法占据控制流场的位置，极大影响了前池内输水效率。对比不同深度段前池内流态特征可发现，随深度增大，由于泥沙淤积在池底，在更深水流层中回流紊乱区域更多，且中部漩涡逐渐在深度3 m处时逐渐扩散至前池进水口处，造成进水口处流速愈大，但整体流速值相比浅水深处更小了，3 m处进水口最大流速为0.44 m/s，相比水流表面层降低了50%，较低水流在淤沙冲击作用下会局部产生泥沙悬浮或沉积，进水口淤积较多泥沙即使如此，造成进水段面积降低，流速分布出现较为紊乱状态，主流与回漩涡接触面处流速分布较低，且进水口的紊乱水流逐步倾向于往水泵吸水管附近靠拢，并聚集着较大流速。对比原设计模型前池流态，由于淤积前池内泥沙存在，进一步挤压主向水流运动空间，造成主流速度降低，矢量方向上更靠近左侧边壁，回流漩涡矢量靠近水泵吸水管，分布范围增多，经计算得知吸水管附近水流方向与之平均夹角近90°，输水效率严重降低，泵站安全运营受到极大挑战。

(a)水流表层

4.2 改善后流态特征

前述分析已知淤积后前池内流场处于较紊乱状态，泵站运行极大受限，故而考虑对该前池采取一定改善措施，在前池内布置压水板与底坎相铰接，夹角为45°，其中压水板设置在距离前池入口23 m、20 m，深度取0.8 m、1.2 m、1.5 m，共6个对比方案，分别对该6种改善措施方案开展流态计算分析。限于篇幅，本文列出6种方案在水深2 m吸水管附近的流场分布特征(如图6所示)。

从图6可看出，架设45°压水板后，不论压水板距离入水口多远，池内吸水管附近回流涡旋数量显著减少，流线平衡均匀，流速亦呈增大态势，可带动泥沙冲击至出水口，提高了前池内流体冲淤能力。对比同等水深不同压水板与入水口距离流场特征可看出，当距离较近时，压水板存在导致底坎前端流速值较大，导致主流过于控制流体运动方向，进而在底坎末端出现局部的小漩涡，流体翻滚转动影响吸水管进水效率，故而考虑压水板距离入水口23 m为最佳。对比不同深度布置压水板可知，当压水板距离23 m、深度为0.8 m时，未运行的吸水管水泵附近可见回流现象，泥沙悬浮显著，易堵塞输水管；当深度为1.5 m时，由于压水板布置深度较深，入水口流速过大，直接扰乱了其他底坎前端小流速流体运动，形成一定数量的漩涡。综上对比分析，表明设计深度为1.2 m时吸水管附近流场稳定，既能裹挟泥沙，又不至于引起局部漩涡，故以压水板距离入水口23 m、深度1.2 m为最优改善方案。

(a)距离23 m、深度0.8 m (b)距离23 m、深度1.2 m

5 结语

1) 研究了原设计前池不同深度流场分布，水流表层分布约有1/2的回流漩涡，漩涡流速随深度递减，回流减弱，深度1 m处主流速范围为0～0.22 m/s，池壁面处流速随深度增大而增长。

2) 获得淤积前池边壁面存在较多漩涡回流，分布范围超过池内面积2/3，随深度增大，回流紊乱区域更多，进水口流速随深度增大逐渐降低，3 m处最大流速为0.44 m/s，相比水流表面层降低了50%，流速过小加剧了泥沙淤积；主流相比原设计前池更靠近左侧边壁，吸水管与水流方向夹角近90°，输水效率较低。

3) 分析了压水板与底坎6种组合的改善方案对流场分布影响，距离入水口过近，易导致底坎前端流速过大，在末端出现聚集漩涡；深度1.2 m时流场稳定，流速适佳，既能裹挟泥沙，又不至于引起局部漩涡，故设置压水板距离入水口23 m、深度1.2 m为改善方案。