分汊河道多泵站进水侧整流数值模拟分析

张娟 陈洪程 卜舸 张仁田 金燕

摘要：为了分析分汊河道上多泵站联合运行条件下各泵站进水侧流态，并进行整流方案设计，采用软件ANSYS，基于N-S方程，应用标准[k-ε]湍流模型，对分汊河道上相邻3座泵站进水侧的整流效果进行了数值计算分析。结果表明：无整流措施时，一站进水侧出现了大范围的回流和漩涡;二站的引河扩散角位置出现脱流现象;三站进水侧出现偏流，特征断面流速不均匀。通过加设两道底坎，一站进水侧水流原有紊乱流动结构得到了抑制，水流行进断面上流速分布均匀;通过切滩处理，原本侧向进水的二站和三站的进水侧流态得到优化，其中，三站前池内垂直水流方向断面流速均匀度平均提高15%，速度加权平均角度值抬高了8°，由此可证明整流方案合理。

关键词：水流流态;流态调整;数值模拟;分汊河道

中图法分类号：TV675文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.012

文章编号：1006 - 0081（2021）08 - 0060 - 07

在泵站樞纽布置时，受来流条件、地形条件等客观因素限制，很多新建泵站不得不采用与老泵站并列布置在分汊河道上的形式，并且多为侧向进水形式。分汊河道的水流结构本身就具有明显的二次流结构，流态复杂。当多个泵站联合运行时，对河道分汊处的流场、能量损失、压力分布等水流特性产生非常复杂的影响，水流条件难以把控[1-2]。流态不佳的水流进入泵站进水池不利于泵站的安全稳定运行，大范围的旋涡进入水泵机组，极易引起严重的汽蚀和振动，从而损坏机组，对于以经济适用为主的老旧泵站来说，甚至会威胁其站身结构安全。

目前，国内外专家学者对单座泵站的进水池流态问题进行了大量的研究，其中主要包括改善前池扩散角、控制前池顺水流方向长度、进行切滩、增设各种形式导流墙、底坎、压水板、立柱等[3-6]。史艳华等[7]探究了多种方案切滩在钱塘江东江嘴弯道上的应用;杨旭等[8]分析了镂空式底坎对侧向进水泵站前池流态的影响;张聪聪等[9]研究了“Y”形导流墩几何参数对侧向进水泵站前池流态的影响;于磊等[10]进行了大扩散角泵站前池整流措施数值模拟分析。但对于分汊河道上多泵站联合运行条件下各泵站进水侧的流态与水力特性分析，尚需进一步研究。

随着社会经济的发展，跨流域调水工程相继开展，新建泵站流量普遍大于老泵站，保证新建泵站高效、安全、稳定的完成调水、排水任务，同时降低或避免对老泵站运行时的不利影响十分重要。本文运用三维紊流模拟技术，结合多种整流措施，对分汊河道上一座新建泵站及两座老泵站进水侧进行整体数值模拟及分析，选出了最优的整流方案，使新老3座泵站同时运行时都能有较好的进水条件。本文数值计算结果对分汊河道上多座泵站枢纽的联合布置具有一定的理论参考作用。

1数值计算方法

1.1 数学方程

（1）流动控制方程。河道内水流流动属于复杂的三维不可压缩湍流运动，采用的控制方程为连续性方程、动量守恒方程以及[k-ε]湍流模型方程[11-13]。

式中：[ρ]为流体密度;p为压强;Q为流量;t为时间;[u]，[v]，[w]分别为速度矢量在x，y，z轴方向上的分量。[τxx]，[τxy]，[τxz]分别为微元体表面上黏性应力[τ]的分量;[fx]为作用在微元体上的体力;[k]为湍动能，m2/s2;[ε]为湍动耗散，m2/s3。μ为动力黏度;[C1]、[C2]为模型常数，分别取1.44，1.92。

（2）均相流模型和VOF模型。在处理连续两相流时采用均相流模型，一般认为两相速度与压力相同，从而组成混合相。借由界面追踪方法VOF识别两相的界面。

式中：[α]为体积分数;[uc]为压缩速度;下标“g”与“l”分别表示气相与液相，本研究中指空气与水。

（3）水力优化设计函数。为了判断进水侧流场的优劣，采用进水侧三维设计理论对进水侧优化水力设计提出了具体的目标函数。即：流速分布的均匀性和水流进泵的方向性[14]。

式中：[ua]为平均轴向速度，m/s;[uai]为各单元的轴向速度，m/s;m为单元个数;[uti]为各单元的横向速度，m/s。

1.2 计算区域及边界条件

本研究中的两相流，需同时考虑水和空气，数值计算域包括相邻的泵站一站、二站和三站进水侧的水域及空气域（图1）。其中，一站和二站为小流量老泵站，三站为大流量新建泵站。采用结构化和非结构化混合网格对实体进行分块剖分，结构复杂区域进行局部加密处理，网格总数为769万左右（不同方案略有差别），网格质量达到0.3以上，满足数值计算要求。

计算域进口设置在3座泵站前的引河足够远处，给定压力进口，压力设置为1 atm。根据3座泵站的设计流量，在3座泵站进水池出口断面上设置质量流量。固体壁面满足不滑移条件，采用壁面函数法处理近壁区的湍流流动，避免将湍流模型直接用到近壁区，在黏性底层内不布置任何节点，壁面上的切应力按第一个内节点与壁面上的速度之差计算。开敞边界不限制边界上的速度方向，本研究中，水面上方为大气，因此将水面边界压力设置为大气压。基于商用软件ANSYS CFX，采用分离求解器求解离散方程组，收敛精度设置为10-5量级[15]。

2 方案设计

应用数值模拟方法，开展了不同工况多种整流措施对3座泵站前池流态影响的研究。综合比选后，本文给出了设计工况（设计水位13.1 m，一站流量50 m3/s，二站流量60 m3/s，三站流量340 m3/s）下的3种典型方案，包括原始方案、导流墙配合切滩方案、底坎配合切滩方案。各方案措施详见表1，整流措施平面布置及具体结构情况如图2和图3所示。由于切滩顶高程和底高程落差大，为了边坡稳定，切滩断面采用二级坡形式。

3 结果与分析

3.1 原始方案下的进水侧流态

为了直观反映原始方案进水侧流态，选取三站设计水位下3 m的水平面作为特征断面（图4），通过CFD数值模拟得到设计水位下3座泵站联合运行时，特征断面A上的流线及流速分布（图5）。

由图5可知，由于一站规模小，抽水能力较弱，当河道内水流动量因为泵站联合运行而变大时，一站无法及时将水流抽至站上，因而在其站前出现了大范围的漩涡和横向水流。稳定的涡带随着水流进入水泵，易引起水泵机组的周期性震动、叶片汽蚀以及效率降低等问题，严重时甚至危及基础结构。在二站的引河上，有较明显的河道扩散角，在三站开机后，二站口门处侧向流速进一步加大，加剧了脱流和偏流情况，恶化了二站的进水条件，进而导致二站边机组难以达到设计运行工况。同时，由于脱流处流速较低，易产生泥沙淤积，进而产生渐进累积式破坏，影响河流生态环境。三站的引河宽度较宽，且设计流量较大，受侧向引水影响较小，整体流态较好，流线比较顺直，没有明显的涡带产生。但局部区域流速分布不太均匀，有一定偏流现象，边机组流量较小，达不到理想工况。而且，泵站运行时改变了原始河道的流态和动量分布，造成河床左右动量不平衡。因此，应采取必要的整流措施对分汊河道上3座相邻泵站联合运行时的水流流态进行优化。

3.2 整流方案下的进水侧流态

为了合理对比实施各方案时3座泵站进水侧流态的特征，继续选取断面A作为研究对象，绘制3个方案下相应的流线及流速分布图。

从图6可知，一站口门处水流经过方案二的导流墙后被分割成两部分，流向得到较好调整，水流趋于合理，涡带明显变小。同时，导流墙一定程度上限制了横向水流的发展，阻止偏流现象发生。但导流墩后方产生了尾涡，并且尾涡在行进过程中没有得到很好处理，使边机组处仍然有部分回流区，漩涡进入机组不利于边机组高效运行，易产生汽蚀和振动，整流方案不够理想。采用方案三的底坎消涡措施后，坎后水流通过涡旋运动、水流混掺产生紊动能交换，使水流原有流动结构发生改变，消耗了水流大部分剩余能量，流线比较顺直，流速较为合理，水流趋于平缓，机组进水流道前的流速平均，证明机组之间不存在抢水问题，均能在设计工况下运行。

选取方案三时一站进水侧顺水流方向多个断面为研究对象，得到行进过程流速矢量变化（图7），1号底坎坎前水流侧向流速大，有较大范围的回流。水流通过1号底坎后，行进方向各断面流速矢量得到优化，水流流向发生调整，但仍然存在小范围回流现象。2号底坎的位置布置设置合理，如果距离一站太近，坎后水流得不到充分恢复，会产生稳定的涡带，危害机组运行，如果距离一站太远则起不到很好的整流作用。从最后一个断面流速矢量分布可知，水流通过2号底坎后，流态得到充分改善，断面上水流流速基本平均，流向基本一致。

从图8可知，采用方案二时，二站引水受一站引水影响变大，侧向流速增大，无法解决前池回流、偏流的问题，改善效果不佳。采用方案三时，由于1号底坎的设置，一站前池流速降低，保证了充足水流进入到二站的前池，再配合上切滩引导水流的作用，使二站进水侧水流变得较为顺畅，断面流速分布趋于均匀，水流偏移情况得到有效改善，利于机组的高效安全运行。同时，切滩对河道进行了拓宽和加固，河流排水能力增强，洪水发生时，能有效减轻沿岸的防洪压力。

从图9可知，3个方案下，一站站前水流整体均较为平顺，但原始方案仍存在流速分布不均情况。实施方案二和方案三的切滩措施后，由于切滩设计为圆弧曲线，能够很好地引导水流转向，并且可以给水流提供一个作用在切滩侧绕流的向心力，形成了向心加速度，有效地消耗了侧向来流的一部分能量，降低了三站口门处水流流速，使水流流向得到调整，断面整体流速降低，提高了各机组稳定性。

综合考虑几个方案下3个泵站的站前水流情况，为保证新建三站高效稳定运行的同时，降低对一、二站开启时的不利影响，应采用整流方案三。

3.3 三站特征断面流速分布及水力特性分析

对进水侧特征断面A的流线及流速分布进行对比，仍无法充分比较三站流态情况。选取三站检修闸门前2 m为特征断面B（图10），分析各流道的速度等值线分布，同时计算各流道在断面B上的流速均匀度及速度加权平均角度。

图10为3种方案下各机组的进水特征断面流速等值线分布。由于进水侧布置了中格墩，特征断面上8台机组被分成了16个流道。原始方案的大部分区域流速集中在0.2～0.4 m/s，8台机组的进水断面整体流速分布在水平方向和垂直方向都不均匀，2号机组有局部流速突变区域，产生涡带，易造成泵装置汽蚀和振动，5号，6号和7号机组各2个进水流道流速差异大，偏流情况严重，8号机组进水条件恶劣，流速分布最不均匀，流道平均流速较低，机组难以达到理想工况。方案二及方案三通过切滩整流后，扩大了进水断面，加大了河岸过水半径，降低了水流各行进断面上的流速，使特征断面B流速整体变小，水流趋于平缓，大部分流速集中在0.1～0.3 m/s，且主流比较居中，8台机组流速较为接近，流量分布均匀，同一台机组的两个进水通道流速基本相同，偏流现象得到了有效改善。

对比3个方案下特征断面B的法向流速均匀度可知（图11），原始方案的斷面法向流速均匀度平均值为79.3%，而方案二和方案三的断面法向流速均匀度平均值分别为84.0%和84.5%。方案三的进水断面流速均匀度最高，相比于原始方案提高了5.2%，更加接近于理想状态，说明此时水流在断面B上的流速分布比较均匀，具有更好的水力特性。因此，采用底坎加切滩的整流措施使三站的进水条件得到有效地改善，进水流道中流态比较平顺，进水断面流速比较均匀，能够满足机组在设计工况下的高效运行。

由图12可知，原始方案情况下，8台机组的进水断面速度加权平均角度较小，偏离法向方向，其中最大值不超过77°，8号机组速度加权平均角最小仅有70°，其进水流道中很可能产生了水流的立面翻滚或回流。水流流速紊乱，流向复杂，泵装置进水条件差，导致机组效率低下。方案二情况下，8台机组的加权平均角度有所增大，均值达到了77.20，相比方案一提高了5.4%，水流流向得到较明显改善。方案三情况下，各个进水流道加权平均角度情况略优于方案二，总体上为断面水流加权平均角度最优状态，更加接近理想状态下的90°，水力特性较好，符合三维优化水力设计方法的要求。

4 结 论

应用三维优化水力设计方法，采用数值模拟软件，利用流体体积法（VOF）考虑自由水面影响，基于泵站特征水位和流量，研究了分汊河道上3座泵站联合运行时的来流条件和整流措施，得到结论如下。

（1）新建的三站侧向进水，且设计流量较大，造成河床左右动量不平衡，使一站站前出现了大范围的漩涡和横向水流，二站口门处出现了部分水流的脱流情况，易造成泥沙淤积，使边机组达不到设计流量。

（2）采用了多种整流方案，对比了3座泵站进水侧流线、流速分布、进水断面流速均匀度和速度加权平均角度情况。其中，方案三（底坎措施配合切滩措施）整流效果最为显著。特征断面流速均匀度提高了15%，速度加权平均角度平均抬高了8°。能够保证三站高效稳定运行，同时降低对一、二站的不利影响。

（3）采用CFD软件进行全流场流态分析，对分汊河道上相邻多座泵站枢纽联合运行时的影响性研究具有一定的理论指导作用。

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（编辑：李 慧）