韓 峰，梁金棟

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

泵站進(jìn)水建筑物通常包含引渠、前池及進(jìn)水池，前池流態(tài)影響水泵運(yùn)行性能的發(fā)揮及泵站安全運(yùn)行，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以高度重視。泵站進(jìn)水分正向和側(cè)向兩種，正向進(jìn)水泵站往往容易獲得良好的流態(tài)，側(cè)向進(jìn)水時(shí)，進(jìn)水池、引河軸線形成一定角度，將不可避免地發(fā)生大尺度回旋、斷面流速分布不均勻等等不良流態(tài)[1-3]。回流區(qū)的存在會(huì)引起泥沙淤積，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水池流態(tài)紊亂，降低水泵運(yùn)行效率，甚至引起機(jī)組振動(dòng)，影響安全運(yùn)行。為改善前池流態(tài)，工程上可采用修建導(dǎo)流墻[4]、設(shè)置導(dǎo)流柵以及修建底坎[5,6]等措施。本文結(jié)合徐州市某灌溉泵站進(jìn)行研究，該泵站為單側(cè)向進(jìn)水，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行前池流態(tài)較差，存在面積較大的回流區(qū)，進(jìn)水池進(jìn)口水流偏斜嚴(yán)重，特別是靠引河側(cè)機(jī)組，進(jìn)水池隔墩頭部出現(xiàn)旋渦，電機(jī)功率及運(yùn)行噪聲明顯高于其他機(jī)組。

前池流態(tài)改善研究通常采用模型試驗(yàn)法及數(shù)值模擬法。模型試驗(yàn)方法具有直觀、形象的特點(diǎn)，但需要消耗很多的人力和物力，研究的周期長(zhǎng)，研究的方案也受到限制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的不斷改進(jìn)，三維紊流數(shù)值模擬方法已越來(lái)越多地應(yīng)用于前池流態(tài)研究[3-5,8,11]。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 控制方程

大型泵站前池三維湍流數(shù)值計(jì)算的控制方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及k-ε湍流模型中的k方程和ε方程[2,3]。

1.2 三維幾何模型

徐州市某泵站為單側(cè)向進(jìn)水泵站，引河與泵站軸線夾角約為105°，平面布置如圖1所示。該站共安裝5臺(tái)1300ZLB-5-6型立式軸流泵，采用進(jìn)水池進(jìn)水。單泵設(shè)計(jì)流量為5 m3/s，泵站設(shè)計(jì)流量為25 m3/s，站下設(shè)計(jì)水位13.5 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程5.2 m。通過(guò)商務(wù)軟件NX 9.0進(jìn)行實(shí)體建模，包含引渠、前池及進(jìn)水池，三維模型如圖2所示。

本文主要研究前池流態(tài)，考慮到水泵葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)進(jìn)水池流動(dòng)影響很小[7]，為減小計(jì)算工作量，本次未對(duì)水泵進(jìn)行模擬，代以進(jìn)水直管，但對(duì)原水泵吸水喇叭管進(jìn)行了模擬。

圖1 模擬區(qū)域平面圖

圖2 模擬區(qū)域三維圖

1.3 邊界條件設(shè)定

計(jì)算機(jī)仿真分析中，邊界條件設(shè)定對(duì)結(jié)果的精度和可信度有重要影響，本文以泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，邊界條件的具體設(shè)定如下：①進(jìn)口邊界：引渠進(jìn)水口設(shè)定靜壓進(jìn)口，壓力值為1 atm；②自由水面：前池、進(jìn)水池表面為自由水面，忽略空氣對(duì)水面產(chǎn)生的切應(yīng)力及熱交換，采取對(duì)稱邊界處理[8,9]；③固體壁面：引河，前池，進(jìn)水池的邊壁均設(shè)為無(wú)滑移的壁面；④出口邊界：出口設(shè)置在水泵進(jìn)水管，設(shè)定為質(zhì)量流出口，單泵流量為5 000 kg/s，總流量25 000 kg/s。計(jì)算步數(shù)設(shè)為1 000 步，收斂精度設(shè)為10-5。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

由于模型邊界復(fù)雜，采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分生成三維網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)從180萬(wàn)開始遞增至400萬(wàn)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到約300萬(wàn)后同一模型數(shù)值模擬的流速均勻度結(jié)果相差控制在2%以內(nèi)，本文后續(xù)的計(jì)算取網(wǎng)格總數(shù)336萬(wàn)左右。

2 無(wú)整流措施時(shí)的流態(tài)分析

圖3為泵站在設(shè)計(jì)水位工況運(yùn)行時(shí)的前池水流表面狀態(tài)。由圖可見，因前池出現(xiàn)回流，前池漂浮物集中于靠來(lái)流側(cè)的進(jìn)水池前部，占前池總面積40%以上。圖4為無(wú)整流措施時(shí)泵站運(yùn)行前池面層的三維跡線圖。由圖4可見，前池內(nèi)存在3個(gè)較大范圍的回流區(qū)，其中彎道處及進(jìn)水池右側(cè)前部的回流范圍較大，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度也較大。進(jìn)水池左側(cè)翼墻前部的斜坡位置回流范圍較小，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度也明顯較弱。前池內(nèi)主流受回流區(qū)的壓迫明顯偏向左側(cè)，右側(cè)進(jìn)水池進(jìn)口流態(tài)產(chǎn)生偏斜，以最右側(cè)機(jī)組最為嚴(yán)重。對(duì)比圖3 、圖4，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)狀運(yùn)行狀態(tài)基本吻合。

圖3 泵站實(shí)際運(yùn)行流態(tài)圖

圖4 原始方案三維流線圖

3 工程措施對(duì)前池流態(tài)改善的數(shù)值計(jì)算

無(wú)整流措施時(shí)泵站前池流態(tài)紊亂、回流區(qū)面積較大，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┘右愿纳啤?/p>

3.1 方案設(shè)計(jì)

該工程為彎道進(jìn)水，屬于單側(cè)向進(jìn)水。根據(jù)對(duì)前池內(nèi)無(wú)整流措施時(shí)的流態(tài)分析，結(jié)合文獻(xiàn)[2,3,5,8]，該工程擬采用導(dǎo)流墩或?qū)Я鳀糯胧┻M(jìn)行流態(tài)改善。當(dāng)水流流過(guò)導(dǎo)流柵時(shí)，由于柵條產(chǎn)生的水動(dòng)力反作用于水體，使得水體向內(nèi)壁傾斜，從而抵消了慣性力的部分影響，限制了彎道內(nèi)側(cè)水體的擴(kuò)散效應(yīng)，能有效消除脫流區(qū)。同時(shí)導(dǎo)流柵還可以從結(jié)構(gòu)上防止斷面上的二次回流，抑制前池中的螺旋流動(dòng)[2]。表1所列為用于分析比較的3種整流措施。

表1 整流方案設(shè)計(jì)

圖5 整流方案示意圖

3.2 整流方案前池流態(tài)

圖6(a)、(b)、(c)分別為方案1、方案2、方案3底層流態(tài)跡線圖，圖7(a)、(b)、(c)分別為對(duì)應(yīng)的面層跡線圖。

圖6 底層流態(tài)跡線圖

圖7 面層流態(tài)跡線圖

3.2.1 前池流動(dòng)跡線圖分析

由圖6及圖7可見：方案1在面層對(duì)前池兩翼回流區(qū)面積壓縮有限，且導(dǎo)流柵處引發(fā)了新的回流區(qū)；底層回流區(qū)面積壓縮較為明顯，但導(dǎo)流柵處的回流區(qū)面積仍較大。方案2在面層對(duì)前池兩翼回流區(qū)面積的壓縮效果相對(duì)方案1提升明顯，底層回流區(qū)幾乎消失，跡線也更為順直。方案3不僅面層對(duì)前池兩翼的回流區(qū)壓縮最為明顯，底層跡線也最為順直。

3.2.2 進(jìn)水池處流速分布均勻度分析

為了定量分析前池流態(tài)，本文引入進(jìn)水池進(jìn)口斷面流速分布均勻度這一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[11,12]。面積加權(quán)流速分布均勻度Vuna的計(jì)算公式為：

(1)

如圖8，水流流速均勻度計(jì)算斷面位于進(jìn)水流道內(nèi)。根據(jù)公式(1)計(jì)算出包括無(wú)整流措施方案在內(nèi)的4個(gè)方案的流速分布均勻度見表2。由表2可知，無(wú)整流措施時(shí)泵站進(jìn)口的均勻度最差，僅為79.6%。在3種整流措施方案中，方案1流速均勻度最好，較原始方案高出11.3%，方案2的流速均勻度較原始方案高出5.6%，方案3的流速均勻度較原始方案高出9.8%。

圖8 斷面位置示意圖

3.2.3 綜合分析

綜合比較3種整流方案的跡線圖和泵站進(jìn)口處流速分布 均勻度，方案1僅在引河與前池交界處設(shè)置一導(dǎo)流墩，流速分布均勻度最佳，但對(duì)于前池回流區(qū)的抑制效果甚微，并在導(dǎo)流墩處產(chǎn)生了新的回流區(qū)。方案2在彎道處設(shè)置一組導(dǎo)流柵并緊接一底坎，抑制前池回流區(qū)的表現(xiàn)優(yōu)于方案1，但流速分布均勻度為三方案中最小。方案3在方案2的基礎(chǔ)上于進(jìn)水池前增設(shè)了一組導(dǎo)流墻，該方案對(duì)前池回流區(qū)抑制效果最好，流速分布均勻度與方案1基本相當(dāng)，優(yōu)于方案2，綜合效果最佳。

表2 流速分布均勻度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用CFD技術(shù)，分析了某單側(cè)向進(jìn)水泵站的前池流態(tài)，基于三維紊流數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1)單側(cè)向進(jìn)水泵站的前池流態(tài)紊亂幾乎不可避免，有必要采取工程措施進(jìn)行流態(tài)改善，以保證泵站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(2)在彎道設(shè)置單個(gè)曲型導(dǎo)流墩對(duì)于面積較大的前池效果有限，設(shè)置一組多個(gè)導(dǎo)流柵能達(dá)到較好的效果。

(3)底坎對(duì)流態(tài)的進(jìn)一步改善發(fā)揮了重要作用，在單側(cè)向進(jìn)水泵站中，相比單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)流柵，采用導(dǎo)流柵與底坎的組合整流方案可以更好地改善流態(tài)。

□