大扩散角泵站前池楔形导流墩整流方案优化研究

杨明会

(喀左县农田建设管理中心，辽宁 喀左县 122300)

1 工程背景

辽绕泵站位于辽宁省鞍山市台安县境内，是一座建成于20世纪60年代的大型排灌泵站。经过多年的运行，其病害情况已经十分突出，亟待进行更新改造。2019年，辽宁省投入巨资更新改造两座大型灌区续建配套与节水项目和两座灌溉排水泵站，辽绕泵站就是其中之一。按照更新改造设计，泵站布置4台机组，为55°大扩散角前池设计模式。前池是重要的取水建筑物，其主要作用是将引渠和进水流道合理联结，保证水流能够平顺进入进水流道，为泵站的安全稳定运行提供良好的进水条件[1]。一旦前池内出现不良流态，就会造成水泵的进水条件恶化，甚至会引起机组振动、产生噪声，影响其正常运行和使用寿命。

背景工程的原始设计方案并没有在前池内设置任何整流措施。模型试验结果显示，水流进入前池时出现了水流集中，在前池内难以及时扩散，并导致两侧水流脱壁产生回流，并在边壁附近产生漩涡并进入进水池。同时，1号和4号进水池前端存在明显的低速和漩涡区，偏流现象十分严重。在长时间运行的情况下，漩涡部位还会形成比较严重的泥沙淤积，进一步恶化机组的进水条件[2]。鉴于模型试验成本投入较大，此次研究利用数值模拟的方式，探讨在前池内设置楔形导流墩，并通过调整其位置、角度和大小等参数，以改善前池的不良流态，为工程设计和建设提供有益的支持和借鉴。

2 有限元计算模型

2.1 模型的构建

UG(UnigraphicsNX)是Siemens PLM Software公司推出一款三维参数化有限元软件，可以通过曲线操作、草图设计等建模方式进行研究对象的实体构造设计，在模拟研究过程中还可以随时对模型进行修改和校正，十分适合此次优化设计研究[3]。因此，此次研究采用UG 9.0软件进行背景工程的软件建模。

在模型的网格单元剖分过程中，非结构化网格可以有效弥补结构化网格的各种缺陷和不足，适用于生成复杂的流体模型机械网格[4]。因此，此次研究采用四面体非结构化网格进行模型的网格剖分，最终获取14405个网格单元，12263个网格节点。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 边界条件

所有的CFD问题均需要边界条件，结合本文研究的实际需要和相关的研究经验，模型的进口边界设置为质量流量进口边界条件，中等紊流强度为5%；模型的出口边界设置为水泵出水流道的出口处，且水流方向与模型的出口断面垂直，采用平均净压出口边界条件，压力为一个标准大气压[5]；模型的壁面为固体壁面条件，将模型的壁面设置为无滑移的光滑壁面，采用标准壁面函数进行设定和描述；模型的进水池、前池以及出水池的水面均为自由液面。并将其设定为对称边界[6]。

2.3 模型的求解

计算模型的求解采用的是全隐式耦合多网格线性求解器CFX16.0，其离散以有限体积法为基础，计算中选择标准的k-ε湍流模型，选择一阶迎风格式对水流的动量、湍动能和湍流耗散进行离散，使模型计算不仅符合精度要求，同时也可以快速求解，降低求解复杂度[7]。最后，在求解过程中设置时间步长为1，最大迭代次数为1000次，各监控的收敛精度设定为10-5。

流速均匀度是表示特征断面顺水方向的速度分布均匀程度，其数值越大表明断面流速分布越均匀[8]；断面加速加权平均角是衡量特征断面上的横向流速的重要指标；因此此次研究中将上述两个指标作为方案优化和评价的主要指标。在此次研究中选择垂直于主流方向的纵剖面(剖面A)作为特征断面，计算流态评价指标，对优化方案进行评价。

3 优化方案与计算结果分析

针对原始设计方案模型试验存在的问题，提出整流优化方案1：在前池的进口部位设置高度为水深0.2倍的楔形导流墩，其顶角为55°，底宽为2.4D(D为水泵吸水管直径)以引导高速水流的扩散。利用构建的有限元模型，对前池流态进行计算，结果如表1所示。由计算结果可以看出，受到楔形导流墩导流作用的影响，水流可以较为均匀平顺地进入1号和4号进水池，这两个部位的断面流速均匀度和流速加权平均角均有明显增大。但是，该方案的2号和3号进水池断面流速均匀度和流速加权平均角明显减小，说明该方案参数设计不合理，影响到2号和3号进水池的水流流态，需要进一步优化。

表1 方案1和原方案评价指标计算结果

针对优化方案1存在的问题，减小导流墩的顶角角度为30°，底宽同时减小为1.2D，位置和高度等其余因素保持不变，提出优化方案2。利用构建的有限元模型对优化方案2的评价指标进行计算，结果见表2。由计算结果可以看出，优化方案2导流墩的顶角减小，因此对水流的分流作用有所减弱，因此对2号和3号进水池的影响有所减小，1号和4号进水池的两个评价指标有小幅上升，但是改善效果并不明显，仍需要进一步优化改进。

表2 方案2评价指标计算结果

鉴于优化方案2的导流墩顶角过小，对水流的分流作用明显减弱，因此将楔形导流墩的顶角扩大至90°，将导流墩底边长保持不变，提出优化方案3。利用构建的有限元模型对优化方案3进行模拟计算，结果见表3。从计算结果可以看出，较方案2而言，较大的导流墩顶角有助于改善1号和4号进水池的流态，但是导流墩本身尺寸过小，分流效果明显偏弱，难以达到理想的整流效果，因此可以考虑通过多个楔形导流墩的组合搭配，实现在不影响2号和3号进水池流态的情况下，最大限度改善1号和4号进水池流态的目的。

表3 方案3评价指标计算结果

结合方案3的计算结果，在前池水流的进口部位设置两个对称分布的楔形导流墩，导流墩的水平断面为直角三角形，底宽为1.2d，顶角为45°，另一直角边和水流方向平行，力求在不影响2号和3号进水池流态的情况下，改善1号和4号进水池流态，获得优化方案4。利用构建的有限元模型对方案4进行模拟计算，结果见表4。由计算结果可知，该方案对2号和3号进水池的流态影响并不大，1号和4号进水池的流速分布均匀度和流速加权平均角有大幅增加，说明设置两个楔形导流墩对改善1号和4号进水池具有明显作用，但是仍未达到较为理想的效果。

表4 方案4评价指标计算结果

针对方案4的计算结果，将两个对称的楔形导流墩向下游方向移动2D，获得优化方案5。利用构建的有限元计算模型，对优化方案5进行模拟计算，结果见表5。由计算结果可以看出，在优化方案5的条件下，各个进水池的流速分布均匀度和流速加权平均角较方案4有所增加，特别是1号和4号进水池的两个指标有大幅提升，且与2号和3号进水池的计算结果比较接近。由此可见，在优化方案5的条件下，水流在进入前池时在导流墩的引导下能够快速扩散，能均匀、平顺地进入各个进水池，取得了良好整流效果。

表5 方案5评价指标计算结果

4 结语

在大型泵站设计建设过程中，在前池设置科学、合理的整流结构对保证泵站机组的安全稳定运行具有重要的意义和作用。此次研究针对辽绕泵站大扩散角前池水流流态较差的实际问题，利用数值模拟的方式进行楔形导流墩改善前池流态的方案优化研究，并提出了最佳的优化方案。针对这一方案，利用模型试验研究的方式进行验证，试验结果和模拟计算结果较为吻合，水流能够十分平顺地进入前池，保证泵站机组的稳定工作。当然，此次研究没有对楔形导流墩的高度因素的影响进行进一步的探究，在今后的研究中需要进一步的分析和完善，以获取更好的楔形导流墩整流方案。