(濱州市簸箕李引黃灌溉管理局，山東 濱州 251700)

1 工程概況

簸箕李引黃灌區(qū)位于山東省北部，黃河下游左岸，黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)腹地，國家新增千億噸糧食產(chǎn)能區(qū)規(guī)劃的重要區(qū)域，是國家大(1)型灌區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)涉及濱州市惠民、陽信、無棣和德州市慶云縣的23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，控制面積2243km2,設(shè)計灌溉面積163.5萬畝。灌區(qū)有干級渠道3條，總長161.313km，支渠144條，總長927.5km。斗農(nóng)渠941條，總長2003km。灌區(qū)自2005年實施節(jié)水改造以來，已實施12期國家投資計劃，批復(fù)投資3.59億元，干渠襯砌62.39km，新建、改造沿渠橋、涵、閘等259座。

灌區(qū)內(nèi)泵站前池存在不同程度的泥沙淤積問題，部分嚴(yán)重的淤積量達(dá)1/3～1/2的前池容積，甚至有淤積進(jìn)達(dá)水池，使取水運行受到很大影響。正向前池典型淤積形態(tài)及程度見圖1和圖2。

圖1 正向前池典型淤積形態(tài)

圖2 正向前池淤積程度示意

2 湍流渦黏數(shù)理模擬簡述

案例泵站正向前池分為兩種不同類型，分別是直邊型和曲邊型。在改造工程量不可過大、成本要控制在合理范圍之內(nèi)，同時要打造有利的作業(yè)環(huán)境、確保各項工程作業(yè)順利開展、切實保證泵站效率得到大幅度提升的原則指導(dǎo)下，主要圍繞下述3個方面注意加大正向前池的防淤治理工作。?加大水流擴(kuò)散力度，提高水流流速，避免形成回流區(qū)或旋渦，盡可能將水力損失降到最低；?直邊正向前池治理，設(shè)置一個八字形導(dǎo)流墩，由此一來不僅能使擴(kuò)散角降到最小，加快水流流速，避免形成回流區(qū)，降低水流損失，還能促使水流兩側(cè)均勻發(fā)展，增強(qiáng)橫向擴(kuò)散水平，改善流態(tài)，避免泥沙淤積；?曲邊正向前池治理，在池內(nèi)安裝一個45°壓水板，一方面可提高水流擴(kuò)散速度，增強(qiáng)挾沙能力，另一方面可促使水流兩側(cè)擴(kuò)散，實現(xiàn)橫向均勻擴(kuò)散，避免形成回流區(qū)，減少泥沙淤積。

湍流渦黏Standardk-ε數(shù)理模型是高雷諾數(shù)流動充分發(fā)展的湍流分析模型，其適用性、穩(wěn)定性和精確性得到工程界和學(xué)界廣泛肯定和驗證。本研究借助FLUENT流體智能計算系統(tǒng)，采用湍流渦黏Standardk-ε數(shù)理模型，對案例典型泵站前池開展模擬計算，探討泵站前池淤積治理機(jī)理及有效性。

3 直邊正向前池渦黏治理實施分析

直邊正向前池增設(shè)八字形導(dǎo)流墩，由此實現(xiàn)水流方向及流量的科學(xué)管控，進(jìn)而達(dá)到改善流場、穩(wěn)定水流的目的。具體來講，在斜坡位置增設(shè)對稱導(dǎo)流墩，主要對兩種參數(shù)進(jìn)行直接控制。直邊正向前池渦黏治理導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 直邊正向前池渦黏治理導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)

值得一提的是，水力特性直接取決于導(dǎo)流墩的設(shè)置情況，由于前池樣式及尺寸不是固定不變的，因此加大了導(dǎo)流墩參數(shù)的設(shè)置難度，并且單一的理論分析無法滿足現(xiàn)實要求。

3.1 方案一

導(dǎo)流墩長度定義為600cm，即L3=600cm；其他參數(shù)值則分別設(shè)置為:L1：400cm,500cm,600cm；L2：300cm，400cm，500cm；β：10°，12°，15°。組合種類高達(dá)27種，在此基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了與之相匹配的幾何模型，并根據(jù)要求劃分了網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量在140.9萬～144.5萬左右，組合模擬結(jié)果見圖4。

圖4 部分方案一組合的前池下層流速狀態(tài)

由圖4分析可進(jìn)一步了解到，導(dǎo)流墩確實起到了均勻分流的效果，可促使水流朝著兩側(cè)流動。通過圖4(a)、(b)、(c)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，L1值越小，導(dǎo)流墩與前池入口的間距就越短，形成的主流效應(yīng)就越顯著，大部分水流被導(dǎo)向兩側(cè)，致使圖4(a)中的水流流速快速降低，流態(tài)失穩(wěn)，流場分布不均，不僅無法達(dá)到理想的防淤效果，還影響了水泵提水；圖4(c)中的水流流速均衡，流場分布比較理想；這三種組合的背水面都形成了旋渦，回流區(qū)也沒有減小。通過圖4(c)、(f)、(g)也進(jìn)一步了解到，L2值越高，分流水平就越差，其中，圖4(g)中前池水流形成了較為顯著的主流效應(yīng)，但分流效果不理想；圖4(f)中的分流效果達(dá)到了預(yù)期要求，流場分布也相對均勻，不過回流區(qū)沒有實現(xiàn)快速削減，并且還形成了回流。

而通過圖4(d)、(e)、(f)則進(jìn)一步了解到，β越高，分流效果就越理想，擠壓性能就越顯著，不過卻形成了較為明顯的旋渦回流，與上述組合相同，這三種組合的回流區(qū)并未達(dá)到理想的改善要求，也出現(xiàn)了旋渦回流。

通過上述分析進(jìn)一步得知，導(dǎo)流墩的分流效果與各參數(shù)存在直接聯(lián)系，在方案一中，盡管導(dǎo)流墩發(fā)揮了較為顯著的分流作用，促使水流均勻地兩側(cè)流動，主流效應(yīng)也得到了大幅度改善，不過仍存在一定缺陷與不足，由于L3值太小，分流無法抵達(dá)末端，回流區(qū)也沒有明顯削減，并且形成了旋渦回流。

整體來講，此方案的設(shè)置參數(shù)欠缺合理，難以獲得符合要求的參數(shù)組合，為解決這一問題，則在設(shè)計的第二種方案中作出了相應(yīng)調(diào)整，并采取有效方法進(jìn)行了模擬分析，以獲得的模擬結(jié)果為重要實施依據(jù)。

3.2 方案二

基于第一種方案作出相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，由此制定出切實可行的第二種方案，在該方案中，導(dǎo)流墩長度定義為1000cm，即L3=1000cm，L1設(shè)置為500cm、600cm、800cm，而L2與β的參數(shù)設(shè)置則不變。組合種類高達(dá)27種，在此基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了與之相匹配的幾何模型，并根據(jù)要求劃分了網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量在146.4萬～151.3萬左右。模擬結(jié)果見圖5。

圖5 部分方案二組合的前池下層流速狀態(tài)

由獲取到的模擬結(jié)果進(jìn)一步了解到，在原有方案的基礎(chǔ)上作出相應(yīng)調(diào)整之后，L3長度明顯增加，不僅改善了旋渦回流，也大大削減了回流區(qū)，不過不同參數(shù)組合達(dá)到的實施效果明顯不一樣。

在L1=800cm的情況下，由于導(dǎo)流墩與前池入口的間隔距離過長，無法很好控制主流，并且造成主流流道出現(xiàn)了不同程度的扭曲，盡管末端回流區(qū)得到了有效削弱，但就整體上來看，仍存在明顯不足，關(guān)鍵是流態(tài)也沒有達(dá)到預(yù)期改善效果，具體情況可見圖5(a)、(b)、(c)；在β=15°的情況下，導(dǎo)流墩可將水流快速引向末端，使兩側(cè)回流區(qū)盡可能削減，不過卻容易形成大面積旋渦，不利于主流擴(kuò)散，具體見圖5(d)、(e)。

在對兩種方案進(jìn)行全面對比后發(fā)現(xiàn)，第二種方案的三種參數(shù)組合的導(dǎo)流墩達(dá)到了較為理想的預(yù)期效果，分別見圖5中的(f)、(g)、(h)，水量分配合理，流場布局均勻，回流區(qū)減少，旋渦回流得到了有效控制，水泵正常提水。

中層水流流速矢量分布更多信息見圖6。在對圖6進(jìn)行全面分析后發(fā)現(xiàn)，在L1=600cm、L2=400cm、β=10°的條件下，流態(tài)達(dá)到了預(yù)期效果，回流區(qū)也得到了有效控制，旋渦回流現(xiàn)象不顯著，并且為水泵正常提水創(chuàng)造了便利條件。由上述分析得知，在第二種方案中，L1=600cm、L2=400cm、β=10°的條件下，流態(tài)較優(yōu)，水流分配合理，回流區(qū)面積減小，水泵提水條件良好。除此之外，旋渦回流現(xiàn)象也得到了很好控制，就整體而言，此方案不失為理想的防淤措施。

圖6 部分方案二組合的前池中層流速狀態(tài)

由數(shù)值模擬結(jié)果得知，只要導(dǎo)流墩的各項參數(shù)選擇得當(dāng)就能發(fā)揮一定作用，既能科學(xué)配置水流，也能有效改善流場分布，減少泥沙淤積，不過卻無法達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。前文已多次提及，八字形的導(dǎo)流墩所發(fā)揮的作用存在一定局限性，只能分配水流，促使主流進(jìn)入兩側(cè)，可削減兩側(cè)的回流區(qū)，但在水流擴(kuò)散方面卻沒有發(fā)揮任何作用，只是將原主流配置成為三股主流，導(dǎo)致流場分布失衡。除此之外，這種導(dǎo)流墩的參數(shù)繁多、設(shè)計難度大，一旦在參數(shù)設(shè)置的過程中忽略一些細(xì)節(jié)，就容易出現(xiàn)旋渦回流，造成大量泥沙淤積，關(guān)鍵是不利于水泵提水，影響工作正常開展，也就無法從源頭上保證工作效率。

通過上述分析進(jìn)一步了解到，在前池內(nèi)增設(shè)八字形導(dǎo)流墩并無法達(dá)到較為理想的實施效果，針對這種情況，筆者認(rèn)為需在現(xiàn)有方案基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整與優(yōu)化，建議采用壓水板措施進(jìn)行全面改造，具體詳見上文提及的方案二。

4 曲邊正向前池渦黏治理實施效果分析

本研究中，筆者建議選用45°壓水板措施進(jìn)行全面改造，以達(dá)到預(yù)期的流態(tài)效果。而壓水板主要涉及兩個重要參數(shù)，一是下緣入水深度H，二是距離前池入口長度L(見圖7)。

圖7 基于45°布配的壓水板

壓水板參數(shù)選擇：H：40cm,60cm,80cm；L：600cm,800cm,900cm。

由上可知，參數(shù)組合為9種，在此基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了與之相匹配的幾何模型，并根據(jù)要求劃分了網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量在136.2萬～136.4萬左右(見圖8)。根據(jù)獲取到的模擬結(jié)果進(jìn)一步得知，45°壓水板可大幅度改善前池流態(tài)，提高水流擴(kuò)散水平，實現(xiàn)流場均衡分布。通過大量實驗研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在分別獲取參數(shù)的條件下，可達(dá)到預(yù)期的流場分布改善要求，由圖8(d)得知，水流流速穩(wěn)定，未形成明顯的回流區(qū)，同時為水泵正常提水創(chuàng)造了良好條件，可避免泥沙大量淤積，最為關(guān)鍵的是推動了工程作業(yè)有序開展，大大提高了工作效率。因為曲邊正向前池結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)存在本質(zhì)性不同，導(dǎo)致兩側(cè)容易形成低速區(qū)，盡管壓水板發(fā)揮了一定作用，但端機(jī)組的提水條件仍無法達(dá)到基本要求，受其他因素影響，兩側(cè)泥沙并未出現(xiàn)嚴(yán)重淤積。

圖8 前池立面及下層流速狀態(tài)

通過上述分析得知，45°壓水板可有效改善前池流態(tài)，并且在防淤方面也表現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢，可直接應(yīng)用于景點灌區(qū)泵站前池防淤改造工程中。對于一期西干二泵站，在參數(shù)H和L分別取60cm、600cm與80cm、800cm的條件下，可達(dá)到預(yù)期的流場分布改善要求，經(jīng)多方面考慮及綜合分析之后，筆者確定出參數(shù)H=60cm、L=600cm的45°壓水板是最佳選擇。

5 結(jié) 語

本文依據(jù)案例數(shù)據(jù)，借助FLUENT智能計算系統(tǒng)，采用Standardk-ε湍流渦黏數(shù)理模型，對引黃灌區(qū)正向泵站前池防淤課題開展模擬分析研究，主要介紹了直邊正向前池和曲邊正向前池渦黏治理導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)；分別對直邊正向前池和曲邊正向前池渦黏治理導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基于Standardk-ε湍流渦黏模型的數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：H=60cm、L=600cm的45°時壓水板更能有效改善前池流態(tài)。