周龍才

泵站前池隔墩整流的數(shù)值分析

周龍才

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

泵站前池?cái)U(kuò)散角過(guò)大會(huì)在池中形成邊側(cè)回流，惡化水泵的進(jìn)水條件，因此一般需要研究適當(dāng)?shù)恼鞔胧?。?yīng)用正交曲線坐標(biāo)系下的二維水深平均數(shù)學(xué)模型，對(duì)大擴(kuò)散角的正向泵站前池中設(shè)置隔墩前后的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以分析設(shè)置隔墩的整流效果。計(jì)算中在交錯(cuò)網(wǎng)格上對(duì)控制體積分得到離散方程，并用SIMPLEC算法求解。數(shù)值模擬表明，對(duì)所研究的泵站前池，適當(dāng)設(shè)置隔墩對(duì)前池?cái)U(kuò)散角過(guò)大引起的不良流態(tài)有明顯的改善效果。

泵站；前池；隔墩；流態(tài)改善；數(shù)值模擬

泵站前池是連接引渠和進(jìn)水池，使水流均勻進(jìn)入進(jìn)水池的構(gòu)筑物。工程中常有一些正向進(jìn)水前池為縮短長(zhǎng)度而采取較大的擴(kuò)散角。然而，受水流固有擴(kuò)散角的限制，前池?cái)U(kuò)散角過(guò)大會(huì)在池中形成邊側(cè)回流，不僅增大了能耗，還會(huì)惡化水泵的進(jìn)水條件，致使水泵效率降低，甚至引起水泵汽蝕和機(jī)組振動(dòng)［1］。因此，采用較大的前池?cái)U(kuò)散角時(shí)，常需要研究適當(dāng)?shù)恼鞔胧?。以前，這類(lèi)研究主要依賴(lài)于模型試驗(yàn)，在許多大型泵站的設(shè)計(jì)、改造過(guò)程中，為獲得良好的前池水流流態(tài)，常對(duì)前池的布置形式以及尺寸、整流措施、運(yùn)行方案等進(jìn)行物理模型試驗(yàn)［2，3］。而試驗(yàn)資料表明，在前池中加設(shè)隔墩（或?qū)Я鲏Γ?，可以避免池中產(chǎn)生回流，從而可以加大擴(kuò)散角，減小前池長(zhǎng)度［4］。本文通過(guò)數(shù)值模擬前池中的二維流場(chǎng)來(lái)分析設(shè)置隔墩的整流效果。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

前池內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)是三維的，但大型泵站前池的平面尺寸一般比水深大許多倍，因此可采用沿水深平均的二維淺水方程來(lái)描述水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為使網(wǎng)格貼合邊界，在此采用正交曲線坐標(biāo)系下二維水流運(yùn)動(dòng)的水深平均方程［5］。

連續(xù)性方程：

ξ方向和η方向的動(dòng)量方程：

式中：ξ，η為正交曲線坐標(biāo)系中的2個(gè)正交曲線坐標(biāo)；u，ν分別為ξ-η曲線坐標(biāo)系下沿ξ方向和沿η方向的流速；H為水深；z為水位；n為糙率；Cξ，Cη為正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)，F(xiàn)u，F(xiàn)ν為紊動(dòng)粘性項(xiàng)。

1.2 方程的離散化方法

在交錯(cuò)網(wǎng)格上，采用迎風(fēng)格式對(duì)關(guān)于u，ν的動(dòng)量方程式（2）、（3）進(jìn)行控制體積內(nèi)的積分，最終可以得到［6］：

1.3 壓力修正方程

設(shè) u*，ν*，z*為原來(lái)的解，改進(jìn)后的解為 u＝u*＋u′，ν＝ν*＋ν′，z＝z*＋z′，將其代入由動(dòng)量離散方程式（4）、（5），可以得到：

式（4）、（5）、（6）組成關(guān)于 u，ν和 z（或 H）的離散方程組，采用SIMPLEC程式求解。而對(duì)具體的方程式（4）、（5）或（6）則采用 ADI方法求解［5］。

1.4 隔墩處理

為準(zhǔn)確模擬隔墩的位置，計(jì)算中對(duì)隔墩附近進(jìn)行了網(wǎng)格加密。對(duì)隔墩周?chē)挠?jì)算點(diǎn)，為體現(xiàn)不同水位條件時(shí)邊界位置的變化，采用了動(dòng)邊界技術(shù)［7］。

2 正向進(jìn)水前池流態(tài)模擬

2.1 大擴(kuò)散角前池的流態(tài)

泵站前池?cái)U(kuò)散角受水流固有擴(kuò)散角的限制，不能太大，否則會(huì)在兩側(cè)產(chǎn)生脫壁回流，如圖1所示，即為試驗(yàn)得到的過(guò)大擴(kuò)散角前池內(nèi)的水流流態(tài)［3］。

圖1 過(guò)大擴(kuò)散角前池中的回流（試驗(yàn)資料）Fig.1 Return flow in a for-bay with a large divergence angle（experimental data）

在此對(duì)如圖2所示的某泵站前池進(jìn)行數(shù)值模擬。泵站安裝5臺(tái)機(jī)組，前池?cái)U(kuò)散角α＝45°。計(jì)算中假定單泵運(yùn)行流量不變，引渠未端水位不變。

圖2 計(jì)算前池模型圖Fig.2 The fore-bay model of calculation

圖3 、圖4是計(jì)算所得開(kāi)5臺(tái)機(jī)組時(shí)的前池流速矢量圖和斷面垂線平均流速分布圖。比較圖4與圖1可以看出計(jì)算與試驗(yàn)所得的前池內(nèi)的流態(tài)相當(dāng)吻合。因擴(kuò)散角過(guò)大而在兩側(cè)引起了較大的回流區(qū)。

2.2 加設(shè)中間隔墩的整流效果

首先，考慮在前池設(shè)置隔墩（或?qū)Я鲏Γ?。圖5所示是在前池中部加設(shè)一段隔墩后計(jì)算所得的前池速度矢量圖。與圖4的流速場(chǎng)相比較，增加隔墩后兩側(cè)水泵的運(yùn)行流態(tài)有明顯的改善，但回流位置移至中部，中間水泵的進(jìn)水條件變差。

圖3 開(kāi)5臺(tái)機(jī)組時(shí)的流速矢量圖Fig.3 The simulated velocity field with 5 pumps running

圖4 開(kāi)5臺(tái)機(jī)組時(shí)的斷面垂線平均流速Fig.4 The simulated vertical cross-section average velocities while 5 pumps running

圖5 設(shè)中間隔墩后的速度矢量圖（開(kāi)5臺(tái)機(jī)組）Fig.5 The simulated velocity field while 5 pumps running after setting separated pier in the middle of the fore-bay

2.3 加設(shè)八字形隔墩的整流效果

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于完全對(duì)稱(chēng)布置且機(jī)組臺(tái)數(shù)為奇數(shù)的泵站前池，在擴(kuò)散角過(guò)大時(shí)可以考慮在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地布置隔墩進(jìn)行整流［4］。經(jīng)調(diào)算，在前池首部布置一段八字形隔墩以進(jìn)行整流。圖6是設(shè)置八字形隔墩后的運(yùn)行5臺(tái)水泵時(shí)的結(jié)果，流速橫向分布比較均勻，池中不再產(chǎn)生回流，整流效果較好。

圖6 設(shè)八字形隔墩后的速度矢量圖（開(kāi)5臺(tái)機(jī)組）Fig.6 The simulated velocity field while 5 pumps running after setting separated piers

設(shè)置隔墩將對(duì)泵站各種開(kāi)機(jī)狀態(tài)下的前池流態(tài)產(chǎn)生影響。為進(jìn)一步分析設(shè)置八字形隔墩的整流效果，模擬了不同開(kāi)機(jī)方案下前池內(nèi)的流場(chǎng)。計(jì)算表明，對(duì)該泵站前池，加設(shè)八字形隔墩后在不同開(kāi)機(jī)方案下前池水流流態(tài)都很平順，沒(méi)有明顯回流。

3 結(jié) 論

（1）大型泵站進(jìn)水前池的平面尺寸一般遠(yuǎn)大于水深，為此應(yīng)用正交曲線坐標(biāo)系下的二維水深平均數(shù)學(xué)模型對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算表明前池?cái)U(kuò)散角過(guò)大時(shí)，水流從引渠直沖向進(jìn)水池中部，在前池兩側(cè)產(chǎn)生回流。模擬所得的回流位置和形態(tài)與試驗(yàn)資料相吻合。

（2）通過(guò)對(duì)泵站進(jìn)水前池加設(shè)隔墩后的流場(chǎng)模擬分析了加設(shè)隔墩的整流效果。計(jì)算表明對(duì)所研究的泵站前池，加設(shè)一段中間隔墩會(huì)導(dǎo)致中間水泵的進(jìn)水條件變差；而設(shè)置八字形隔墩則有較好的整流作用，這一結(jié)論與已有的試驗(yàn)結(jié)論相吻合。

（3）雖然不同泵站前池的設(shè)計(jì)尺寸不同，但本文針對(duì)前池設(shè)置隔墩整流效果的定性分析對(duì)改善泵站的進(jìn)水條件具有借鑒及指導(dǎo)作用，并對(duì)泵站前池的設(shè)計(jì)或改造都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 丘傳忻.泵站工程［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2001：214－221.（QIU Chuan-xin.Pumping Station［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2001：214－221.（in Chinese））

［2］ 徐高田，韋鶴平，鐘迪鋒.上海污水治理二期工程南線A＃泵站前池水力模型試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)給水排水，1997，13（6）：10－13.（XU Gao-tian，WEI He-ping，ZHONG Di-feng.Hydraulic model test researches on pumping well of A＃pumping station on southern line to phaseⅡ Shanghai wastewater treatment engineering project［J］.China Water＆Wastewater，1997，13（6）：10－13.（in Chinese））

［3］ 侯佩瑾，張?jiān)茘?，胡青?引黃工程總干三級(jí)泵站側(cè)向進(jìn)水前池水工模型試驗(yàn)研究［J］.山西水利科技，1999，126（2）：50－53.（HOU Pei-jin，ZHANG Yungang，HU Qing-mian.Hydraulic model test on lateral receiving forebay for the third-stage pumping station in the general main line of the YRDP［J］.Shanxi Hydrotechnics，1999，126（2）：50－53.（in Chinese））

［4］ 劉 成，馬春生.泵站前池流態(tài)改進(jìn)措施的試驗(yàn)研究［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，2（1）：9－12.（LIU Cheng，MA Chun-sheng.Experiment and research on improvement measures of forebay flow pattern of pumping stations［J］.Journal of Anhui Institute of Architecture，1994，2（1）：9－12.（in Chinese））

［5］ 周龍才，劉士和，丘傳忻.泵站正向進(jìn)水前池流態(tài)的數(shù)值模擬［J］.排灌機(jī)械，2004，22（1）：23－27.（ZHOU Long-cai，LIU Shi-he，QIU Chuan-xin.Numerical simulation of flow pattern in the front inflow forebay of pumping station［J］.Drainage and Irrigation Machinery，2004，22（1）：23－27.（in Chinese））.

［6］ 周龍才.泵系統(tǒng)水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬［D］.武漢：武漢大學(xué)，2002.（ZHOU Long-cai.Numerical simulation of the fluid flow in pumping system［D］.Wuhan：Wuhan University，2002.（in Chinese））.

［7］ 周龍才，劉士和，劉光臨，等.大型泵站引水河道流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2002，35（6）：16－19.（ZHOU Long-cai，LIU Shi-he，LIU Guang-lin，et al.Numerical simulation of flow field in diversion channel of large pumping station［J］.Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering，2002，35（6）：16－19.（in Chinese） ）

Numerical Analysis on Improvement of Flow Conditions in Fore-bay of Pumping Station by Setting Separation Piers

ZHOU Long-cai
（State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan 430072，China）

The measures of improving flow conditions should be adopt in the over large divergent angle of fore-bay of a pumping station to avoid the side return flow which would worsen the intake conditions of pumps.In the paper，the improvement of flow conditions in the front inflow of fore-bay of the pumping station with setting separation piers is researched by numerical simulation.The 2-D average water depth mathematical model in orthogonal curve-linear coordinate system is used for the numerical simulation.The discreted equations are obtained by finite volume method on staggered grid，and solved by SIMPLEC method.The simulated results show that，the splaying separation piers have good effect on improving the flow conditions in the researched fore-bay with large divergent angle.

pumping station；fore-bay；separation piers；improvement of flow conditions；numerical simulation

TV675

A

1001－5485（2010）02－0031－03

2009-01-12；

2009-03-24

周龍才（1972-），男，湖北隨州人，副教授，主要從事泵站方面的教學(xué)與科研工作，（電話）13387516456（電子信箱）zlcgood＠126.com。

（編輯：周曉雁）