管廷存

(新疆維吾爾自治區(qū)水利廳建設管理與質量安全中心，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程背景

某泵站為燈塔灌區(qū)節(jié)水改造工程的重要建設項目，主要由引水渠、前池、泵房以及排水閘等水工建筑物構成。泵站采用3臺前置豎井式貫流泵，北向南依次編號為1#、2#和3#機組，共涉及六條進水流道，自北向南依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#進水流道。泵站采用閘站并列設計方式，其中泵站布置在北側，排水閘布置在南側，為單孔凈寬6 m的2孔排水閘。在泵站運行時，引水水流通過引水渠進入前池，前池中的水流通過斜坡段進入泵站的進水流道，在上游水位較高時，水流可以在水位差的作用下由前池自排進入排水閘。由于泵站為平面不對稱設計，在泵站和排水閘單獨運行時，來水水流與泵站或排水閘的中心線之間存在一定的夾角，從而造成水流流態(tài)比較復雜[1]。因此，計劃在泵站和排水閘之間設計有高3.5 m、厚1.2 m的導流墩，以改善前池流態(tài)，保證工程的安全穩(wěn)定運行。

2 計算模型的構建

2.1 計算區(qū)域

研究中利用GAMBIT三維有限元軟件進行三維實體造型[2]，結合泵站樞紐的具體設計參數，確定如下計算區(qū)域：數值模擬計算區(qū)域為泵站的引水渠進口至水泵葉輪室，主要由引水渠、前池、進水流道和排水閘四部分組成，排水閘的計算范圍取到工作閘門部位。由于研究對象十分復雜，因此采用分塊剖分的方式進行實體模型的網格剖分，以便對關鍵區(qū)域進行加密處理，其中普通區(qū)域采用六面體網格剖分，前池部分進行加密并采取適應性更強的網格四面體剖分[3]。最終獲得1 805 640個計算網格單元，2 024 560個計算節(jié)點。

2.2 邊界條件

將模型的計算進口邊界設定為引水渠的進口斷面，并認為該部位的來流為均勻流，因此采取進口邊界條件[4]；由于出口斷面的流速方向不定，計算中將進水流道的出口端面進行法向等直徑延長，并認為出口部位為可以充分發(fā)展的流動，因此設計為自由出流邊界[5]；計算模型中四個部位的邊墻和底部設定為固壁條件，利用固壁對數函數進行處理[6]；計算模型的上表面為自由水面。

2.3 求解方法

本次研究中采用標準湍流模型進行前池數值模擬計算[7]。為了達到預期精度，計算過程中采用二階迎風式求解，利用SIMPLEC算法進行模型的壓力和速度耦合計算，利用體積有限法實現積分形式方程組到代數方程組的轉化。計算中的收斂情況利用殘差監(jiān)視圖實現，收斂精度設定為10-7。

3 導流墩體型優(yōu)化設計

3.1 導流墩長度優(yōu)化設計

為了獲得導流墩的最優(yōu)長度，研究中擬定方案1-方案4四種不同方案，導流墩長度分別為10 m、15 m、20 m和25 m，各方案下導流墩的高度均為3.5 m，厚度為1.2 m。

利用三維數值計算模型，對上述不同方案條件下的流場進行模擬分析。結果顯示，在方案1條件下，泵站前池水流的面層和中間流速較大，底部和兩側流速較小。導流墩的右側水流形成回旋區(qū)，該處水流繞流導流墩后進入前池；導流墩的左側也發(fā)生變形并形成回旋區(qū)，由于導流墩的存在導致橫向流速分布不均，漩渦綜合影響函數值為6.85。在方案2條件下，由于導流墩長度增加至15 m，回旋區(qū)的范圍變化不大，但是回旋區(qū)向6#流道外移動，且漩渦綜合影響函數值為6.51，小于方案1。在方案3條件下，導流墩長度為25 m，回旋區(qū)的范圍進一步向外則移動，但是范圍從方案1和方案2的6#流道擴展至4#～5#流道，影響范圍明顯增大，這不僅造成4#、5#流道水流紊動，漩渦綜合影響函數值也增至56.74。在方案4條件下，回旋區(qū)范圍有進一步增大，但是增加幅度有限，漩渦綜合影響函數值也增大至58.97。

為了進一步對前池水流對進水流道流速的影響進行定量分析，研究中對六個進水流道進口斷面的軸向速度分布均勻度進行計算，結果如表1所示。由表格中的數據可知，由于回流區(qū)外移，方案2相比于方案1，6#流道進口斷面流速分布均勻度有所提高。對于方案3和方案4，6#流道進口斷面流速分布均勻度雖然仍有所提高，但是4#和5#流道進口斷面流速分布均勻度下降明顯，與方案2相比流速均勻度表現更差。綜合上述分析，在方案2條件下，也就是導流墩的長度為15 m時，前池流態(tài)最佳，漩渦綜合影響函數值最小，流速分布更均勻。

表1 方案1～方案4進水流道斷面軸向速度分布均勻度 %

3.2 導流墩開口參數設計研究

通過上節(jié)分析，將導流墩長度設計為15 m可以顯著改善前池流態(tài)，但是導流墩附近的水流回旋區(qū)仍舊存在。因此，本節(jié)在設定導流墩長度為15 m的基礎上，對導流墩進行開孔設計，并在池前加設短隔墩。通過對水流方向和流量分配的調節(jié)，達到改善前池流態(tài)的目標。其中，導流墩開孔結構如圖1所示。導流墩開孔的主要參數包括寬度B以及孔高H，由于兩者之間相互影響不大，因此采取單因素遞進分析法進行優(yōu)選研究。

圖1 導流墩開口示意圖及幾何參數

結合相關研究結論和某泵站的工程實際，確定孔口寬B的不同取值，擬定方案5～方案8四種不同方案，其對應的孔口寬B分別為1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m，孔高H為 3.6 m不變。從水流流態(tài)上來看，上述四個方案導流墩開孔部位水流重新分布，回流區(qū)明顯減小，并且向5#流道前移動，當孔寬達到4.5 m時回流區(qū)范圍基本保持不變。此外，漩渦綜合影響函數值也有所降低，四種方案下的漩渦綜合影響函數值分別為5.96、2.19、0.36和0.37，對上述四種方案下的各個流道進口斷面的流速均勻度進行計算，獲得如表2所示的結果。從表格中的數據可以看出，在孔寬小于3.0 m時，隨著孔寬的增加，6#進水流道流速分布均勻度明顯提升，其余流道的流速分布均勻度也有所提升，但是變化幅度不大。當孔寬大于3.0 m時，1#和5#流道有所下降，其余流道基本不變。綜上，在方案7條件下，也就是孔寬為3.0 m時，對前池流態(tài)的改變作用最大。

表2 方案5～方案8進水流道斷面軸向速度分布均勻度 %

結合相關研究結論和某泵站的工程實際，在孔口寬B為3.0 m不變的條件下，改變孔高H的值，擬定出方案9～方案13，其對應的孔高H的值分別為0.5 m、0.9 m、1.3 m、1.7 m和2.1 m。從上述五個方案的流態(tài)來看，當孔高H小于1.7 m時，導流墩附近的回流區(qū)進一步減小，而孔高H大于1.7 m時，回流區(qū)范圍基本不變。從漩渦綜合影響函數值的變化來看，當孔高H小于1.7 m時，漩渦綜合影響函數值迅速減小，且在孔高H為1.7 m時達到最小值0.12。當孔高H大于1.7 m時，漩渦綜合影響函數值又有所增大。對上述五種方案下的各個流道進口斷面的流速均勻度進行計算，獲得如表3所示的結果。從表格中的數據可以看出，在孔高小于1.7 m時，隨著孔寬的增加，6#進水流道流速分布均勻度明顯提升，其余流道的流速分布均勻度也有所提升，但是變化幅度不大。當孔寬大于1.7 m時，該流道流速分布均勻度有所下降，其余流道基本不變。綜上，在方案12條件下，也就是孔寬為1.7 m時，對前池流態(tài)的改善作用最大。

表3 方案9～方案13進水流道斷面軸向速度分布均勻度 %

綜上，當導流墩長度為15 m，開孔寬度為3.0 m，開孔高度為1.7 m時，前池流態(tài)最好，渦旋綜合影響函數值最小，且6#流道流態(tài)顯著改善，雖然導流墩右側仍舊存在一定范圍的回流區(qū)，但是回流區(qū)范圍大幅減小，強度極弱，不會對工程運行造成不利影響。

4 結 論

本文以某泵站工程為例，利用數值模擬的方法對導流墩體型優(yōu)化問題展開研究，并獲得如下結論：當導流墩長度為15 m，開孔寬度為3.0 m，開孔高度為1.7 m時，前池流態(tài)最好，渦旋綜合影響函數值最小，且6#流道流態(tài)顯著改善，雖然導流墩右側仍舊存在一定范圍的回流區(qū)，但是回流區(qū)范圍大幅減小，強度極弱，不會對工程運行造成不利影響。