分叉型侧向进水泵站前池底坎整流机理

2020-10-19周春峰李尚红

中国农村水利水电 2020年10期

陈伟，成立，周春峰，李尚红

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；2.江苏省南京市水务设施管理中心，南京 210000；3.江苏省江都水利工程管理处，江苏江都 225200)

分叉型侧向进水前池是一种常见的进水前池形式，其往往存在回漩、进水流态等不良现象，使得前池流态紊乱，造成泥沙淤积[1-3]，从而影响泵站的经济运行。迄今为止，有众多学者已对前池流态的改善做了一定的研究，其中主要包括增减前池的长度、前池扩散角的改变、增设底坎[4,5]、立柱[6]、隔墩[7]、导流墩和压水板等[8-11]。冯旭松[12]分析了泵站前池的正向、侧向进水底坎整流以及坎后流动机理；罗灿等[13]对泵站正向进水前池底坎整流进行了数值模拟研究，指出底坎几何参数对前池整流的影响；周正富等[14]在侧向进水泵站流态改善措施中，分析出底坎在该泵站中具有明显的整流效果。但目前对于分叉型侧向进水前池的底坎整流机理研究还是很少的。

本文针对某泵站工程前池流态改善，通过数值模拟，改变底坎位置及不同几何参数，进行计算分析其在分叉型侧向进水前池整流效果，为改善分叉型侧向进水泵站前池流态提供了一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究物理模型

计算模型主要包括引渠、前池、进水池(1号～5号)以及吸水管。将整个水体流动的区域作为计算区域[图1(a)]。共设有9个出水口，其中新站五台机组，老站四台，出水口流量均等，段面1-1位于进水池相对位置0.4D，L为底坎相对进水池相对距离。图1(b)为底坎局部细节示意图。其中H为坎高，X为底坎宽度。

图1 计算区域及局部细节示意图Fig.1 Calculation area and sill local detail diagram

1.2 计算方法及边界条件

由于雷诺数较大，且存在边壁脱流和大尺度回流，故采用k-ε模型。本文分别采用RNGk-ε模型[15]和Realizablek-ε[16]两种模型对无整流措施情况进行数值计算，通过研究发现，RNGk-ε湍流模型收敛性更好，故采用RNGk-ε湍流模型作为数学模型进行计算。

基于不可压缩流体的连续性方程和雷诺时均N-S方程，忽略热交换；取引渠进水断面为进口，设置流量进口，总流量为22.5 m3/s；出口为进水池出水管的出口侧，出口边界条件设置为一个标准大气压；在固体边壁处规定无滑移条件；引渠水面高度为1.5 m，进水池水面高度为3.2 m，步长为500，收敛精度为10-6。

1.3 网格剖分

采用Mesh软件划分网格，将总水力损失作为衡量网格数量对计算结果影响的参考物理量，计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Hf为前池、进水池和吸水管的总水力损失；Pin为进口断面的总进口压强；Pout为新站出口断面的总压强；

通过网格无关性分析，当网格节点数量在2.2×106左右时，水力损失的变化较小，误差仅在±1.5%，计算结果趋于稳定。所以为节省计算资源，网格数量选取在220万左右比较合适。

图2 网格剖分与不同网格数量下的水力损失HfFig.2 Partial grid division and the grid is divided into the flow loss Hf under the different mesh quantity

2 研究方案

重点研究底坎位置、高度及宽度对前池流态改善影响，共7种方案(见表1)，方案1～3研究对底坎位置变化对前池整流效果的影响；方案3～7研究底坎高度和宽度对前池流态的影响。

3 计算结果及分析

3.1 数模与试验结果对比

图3(a)、(b)为无整流措施下整体面层与前池最底层流线图。由图3可知，无整流措施时，引渠末端边坡出现较大回流区，造成主流被压迫，将会发生偏流，出现侧向进水。通过图3(b)可得，前池两侧存在两个较大回流区，两侧回流区压迫主流严重，引起主流向一侧偏斜严重，导致泵站进水条件恶化，甚至发生侧向进水。图3(c)为泵站进水池前断面计算结果和试验结果行近流速分布对比图。研究表明：计算结果和试验结果的行近流速最大值均在5号机组前，1号机组的进水条件较差。数模计算结果与试验报告结果虽有一定差异，但变化趋势基本是一致的。这说明数值模拟计算结果是具有一定可信度的。由于整体面层流线与整流后的面层流线无明显差异，所以本文只对前池整流后底层流态变化进行计算分析。

表1 研究方案Tab.1 Research plane

图3 无整流措施下流线与行近流速图Fig.3 Streamline and near velocity without rectification measures diagrams

3.2 底坎位置对前池流态的影响

取正对流动方向为坎前，反之为坎后。图4(a)～(c)为底坎3种不同位置下的前池底层计算流线图。由图4可见，在方案1情况下，底坎位置距离进水池较远(L=5D)，坎前边侧回流不明显，水流越过底坎前具有较大的能量，水流中的能量未能进行交换，严重影响进水池进水流态；方案2中，坎前边侧存在回旋，水流中的能量经过底坎得到一定的交换，进水流态一般；方案3中，坎前边侧漩涡消失，坎后的水流得到充分发展。比较4个方案在断面1-1处行近流速与流速均匀度[图4(d)、(e)]可得，无整流措施时，行近流速从左往右呈增长趋势，左侧流速偏低，中间流速均匀度较高，右侧流速均匀度偏低；增设底坎后，流速分布得到明显改善，行近流速呈两边高中间低，流速均匀度呈中间高两边低。经比较分析，方案3底坎位置较为合理，行近流速与流速分布均匀度相对较好，因此选取方案3相对较合适。

图4 不同方案流线图与流速比较Fig.4 Comparison of flow chart and velocity of different planes

3.3 底坎高度对前池流态的影响

图5(a)～(c)为底坎位置不变不同高度下的前池底层流线图。由图5可知，当底坎高度增加一倍后，方案4坎前边侧再次出现大尺度回旋；当底坎高度适合时(方案5)，前池边侧回旋基本消失，坎后流动能充分均匀分配，进水流态较好。通过比较图5(d)、图5(e)可知，方案4行近流速与流速均匀度分布较差，方案3、5整体差异不大，其中1号机组行近流速偏低，2号机组前行近流速明显偏高，说明底坎高度对前池流态有着重要的影响。在方案5底坎高度下更合理，断面行近流速与流速均匀度分布较好。

图5 不同方案流线图与流速比较Fig.5 Comparison of flow chart and velocity of different planes

3.4 底坎宽度对前池流态的影响

图6(a)～(c)为底坎不同宽度下的前池底层流线图。由图6可见，在方案5、6情况下底坎宽度对前池流态影响较小。当底坎宽度过长(方案7)，坎前边侧出现大尺度回旋，进水流态恶化。通过比较分析图6(d)、(e)可得，增设底坎并改变底坎宽度后，方案7行近流速与流速均匀度分布较差，说明底坎宽度不宜过长。综合比较，方案5前池流态改善效果明显。