周亞軍，陳 懿，陶思遠(yuǎn)

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024 )

0 引 言

為清除附著在攔污柵上的雜物，泵站一般會(huì)布置清污機(jī)，清污機(jī)架設(shè)在橋墩上，對(duì)于多機(jī)組泵站，各流道內(nèi)均需架設(shè)清污機(jī)橋墩。若清污機(jī)橋墩過(guò)度靠近進(jìn)水流道，會(huì)對(duì)進(jìn)水流態(tài)產(chǎn)生一定的影響，除此之外，由于水草等污雜物的堵塞，造成水泵進(jìn)水流道兩側(cè)進(jìn)口水位不等，明顯加大了水泵的提水揚(yáng)程，消耗電機(jī)功率，降低水泵裝置效率，誘發(fā)水泵機(jī)組振動(dòng)，影響泵站的安全與穩(wěn)定運(yùn)行[1]。本文所述側(cè)向進(jìn)水劉老澗抽水站在遠(yuǎn)離泵房的引渠中設(shè)計(jì)清污機(jī)橋和安裝清污設(shè)備，為水泵提供良好的進(jìn)水條件。

目前，有一些學(xué)者對(duì)前池進(jìn)水池的不良流場(chǎng)進(jìn)行過(guò)整流研究[2-4]，例如文獻(xiàn)[5]中通過(guò)布置導(dǎo)流墩的方法改善進(jìn)水流道進(jìn)口斷面上的流速分布，文獻(xiàn)[6]中通過(guò)對(duì)前池的模擬給出了底坎整流形式，底坎高度為水深1/3時(shí)整流效果較好，除此之外文獻(xiàn)[7-10]也通過(guò)不同形式的整流方法、組合型整流措施等對(duì)泵站前池進(jìn)水池流動(dòng)特性進(jìn)行了優(yōu)化。但是目前對(duì)于架設(shè)清污機(jī)橋后影響泵站水力特性研究的論文相對(duì)較少，并且本文所述泵站屬于側(cè)向進(jìn)水泵站，水流經(jīng)50°大角度拐彎進(jìn)入引渠直段后會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)，因此，引渠中清污機(jī)橋墩的布置位置的選定需要數(shù)據(jù)論證，基于此，結(jié)合引渠和前池等進(jìn)水條件的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，根據(jù)泵站進(jìn)水設(shè)計(jì)水工布置的現(xiàn)狀，通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行引渠流動(dòng)特性分析，比較分析不同清污機(jī)橋墩布置位置對(duì)泵站水力特性的影響研究，為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 計(jì)算模型及數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬范圍

本文數(shù)值模擬范圍從引渠彎段進(jìn)口開(kāi)始，到簸箕形進(jìn)水流道出口延伸段結(jié)束，包括如下6個(gè)部分。

(1)彎段進(jìn)水部分。彎段河道為劉老澗進(jìn)水條件數(shù)值計(jì)算的進(jìn)口段，從京杭大運(yùn)河取水，梯形斷面，底寬60 m，邊坡系數(shù)m=1∶2.5，河底高程為11.5 m，經(jīng)50度拐彎后與引渠直段相接。

(2)引渠直段部分。引渠直段部分上游與彎段進(jìn)水部分相接，下游與泵站前池相連，斷面為梯形，河底寬度保持不變，河底高程為11.5 m，底寬60 m，邊坡系數(shù)m=1∶2.5。

(3) 前池部分。前池上接引渠直段，長(zhǎng)度35 m，邊坡系數(shù)m=1∶2.5，采用=1∶10底坡，河底高程從11.5 m逐漸下降到8.0 m。

(4) 翼墻及隔墩部分。由于采用了圓弧形直立重力式擋土墻，翼墻及隔墩部分的進(jìn)口兩側(cè)為弧形，底部高程8.0 m，直接與矩形隔墩部分相連，內(nèi)設(shè)泵房中隔墩延伸段和簸箕形進(jìn)水流道中隔墩的延伸段，進(jìn)口呈15°角后傾。

(5)簸箕形進(jìn)水流道部分。簸箕形進(jìn)水流道與翼墻及隔墩部分相連。

(6)出口延伸段。進(jìn)水流道出口延伸段為同心圓管，是根據(jù)數(shù)值計(jì)算需要設(shè)置的，目的是使得計(jì)算域的出口遠(yuǎn)離進(jìn)水流道的出口，使水流得到充分發(fā)展，保證其流動(dòng)狀態(tài)不再影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

1.2 泵站基本參數(shù)

在該泵站CFD數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，采用與實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)水建筑物水工模型試驗(yàn)相同的方法，根據(jù)相似換算，計(jì)算采用模型進(jìn)水設(shè)計(jì)，開(kāi)展CFD仿真計(jì)算與流態(tài)分析和性能預(yù)測(cè)，在提高計(jì)算精度和計(jì)算效率的同時(shí)，也便于與相關(guān)類(lèi)似的水工模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

如圖1所示，為該泵站平面圖，按平面圖建立三維幾何，包括引渠、前池、簸箕形進(jìn)水流道與出口延伸段。在該抽水站進(jìn)水設(shè)計(jì)數(shù)值分析中，除了在Z方向上給出了不同水深處的引渠水平剖面的流態(tài)，還在X和Y方向上抽取了許多引渠和進(jìn)水流道中的典型剖面進(jìn)行流場(chǎng)分析，為敘述方便，圖1給出了這些典型剖面的位置示意圖。X坐標(biāo)的正方向指向出水側(cè)，Y坐標(biāo)的正方向指向南方，Z坐標(biāo)的正方向從渠底指向水面。在X方向上，選取了引渠彎段結(jié)束的直段進(jìn)口斷面、前池進(jìn)口斷面、前池出口斷面和流道進(jìn)口斷面。在Y方向上，分別選取了對(duì)應(yīng)于每個(gè)進(jìn)水流道左右中間對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)剖面，依次為南一至南八。在Z方向上，對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)水位15.85 m工況，給出了水面下0.5、2.0、4.0、5.0 m和距渠底0.5 m深剖面上的流場(chǎng)。圖2為增設(shè)清污機(jī)橋墩平面布置圖。

圖1 該抽水站進(jìn)水設(shè)計(jì)典型剖面示意圖

圖2 清污機(jī)橋橋墩布置示意圖

1.3 湍流模型及邊界條件

對(duì)于泵站前池、進(jìn)水池模擬，參考文獻(xiàn)[11]后選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型配合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行模擬。采用水力損失衡量網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查后確定水力損失不隨網(wǎng)格增加再發(fā)生改變后確定網(wǎng)格總數(shù)。考慮到標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)y+的要求30～300，考慮此對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，經(jīng)計(jì)算后各部件最大y+約為210，滿(mǎn)足使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)要求[11]。

(1) 進(jìn)口邊界條件。在泵站進(jìn)水建筑物內(nèi)部流動(dòng)三維紊流數(shù)值計(jì)算中，計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口設(shè)置在引渠進(jìn)口，按速度條件給出。

(2)出口邊界條件。計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在離進(jìn)水流道出口足夠遠(yuǎn)處的直管上，按出流條件給定，并假定計(jì)算域出口截面上流動(dòng)方向的坐標(biāo)是局部單向的，流動(dòng)已充分發(fā)展，下游流動(dòng)不再對(duì)上游產(chǎn)生任何影響。即：

(1)

(3)固壁邊界條件。引渠的邊壁和底部、前池邊壁和底部、翼墻、隔墩、進(jìn)水流道的壁面等均按固壁處理，滿(mǎn)足不滑移條件。采用壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)的紊流流動(dòng)，從而避免將紊流模型直接用到近壁區(qū)，在黏性底層內(nèi)不布置任何節(jié)點(diǎn)，壁面上的切應(yīng)力仍然按第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與壁面上的速度之差計(jì)算，以減少計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用和提高計(jì)算效率。

(4)自由水面。進(jìn)水池的自由水面上通常有風(fēng)成剪切應(yīng)力，還有與大氣層的熱交換等，物理機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜。本文忽略風(fēng)所引起的自由水面上的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，自由水面的速度和紊動(dòng)能均按對(duì)稱(chēng)平面處理，紊動(dòng)能耗散率則按計(jì)算單元的中心至自由表面的距離及該單元的紊動(dòng)能量來(lái)確定。

1.4 水力設(shè)計(jì)優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)軸向流速分布均勻度。軸向流速分布均勻度采用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(2)加權(quán)平均偏流角。加權(quán)平均偏流角采用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：uai為進(jìn)水流道進(jìn)口斷面上計(jì)算單元的軸向流速；n為進(jìn)水流道進(jìn)口斷面上的計(jì)算單元數(shù)；uti為進(jìn)水流道進(jìn)口斷面上計(jì)算單元的切向流速；n為進(jìn)水流道進(jìn)口斷面上的計(jì)算單元數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 無(wú)清污機(jī)橋墩數(shù)值模擬結(jié)果

2.1.1 進(jìn)水流道流場(chǎng)分析

圖3給出了數(shù)值計(jì)算獲得的引渠設(shè)計(jì)水位15.85 m、泵站抽水流量為157 m3/s工況下從引渠直段開(kāi)始的水體質(zhì)點(diǎn)跡線圖，描述了從引渠入口向流道流動(dòng)的過(guò)程中，可清楚地看到水體質(zhì)點(diǎn)的軌跡和速度變化情況。圖3表明，水體在經(jīng)過(guò)引渠直段進(jìn)入前池后，由于水體向泵站進(jìn)口匯聚，在前池和翼墻兩側(cè)形成了低速回流區(qū)，南北兩側(cè)的回流區(qū)基本對(duì)稱(chēng)。

圖3 引渠水位15.85 m水體質(zhì)點(diǎn)軌跡圖

2.1.2 進(jìn)水流道水力特性分析

(1)流道進(jìn)口斷面流速分布特性。表1給出了該抽水站簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的流速分布特性，從進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻性和入口偏流角兩方面來(lái)講，雖然數(shù)值比較的差異很小，但南端第一臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的進(jìn)水流道的水力性能相對(duì)較差，原因是引渠進(jìn)口段彎道的影響，前池主流偏向北側(cè)。

表1 進(jìn)水流道進(jìn)口斷面流速分布特性比較

(2)進(jìn)水流道水力損失。該抽水站4臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的簸箕形進(jìn)水流道的水力損失平均值為0.183 m。在全泵站引渠進(jìn)水條件下，顯然沒(méi)有單獨(dú)進(jìn)行的水泵裝置全流道數(shù)值計(jì)算或模型試驗(yàn)中的進(jìn)水條件好，與相同流量下的水力損失相比，此時(shí)的流道水力損失增大0.015 m。

2.2 增設(shè)清污機(jī)橋后數(shù)值模擬結(jié)果

如圖4為橋墩距前池翼墻進(jìn)口分別為55、90、130、160 m等不同距離平面圖，清污機(jī)橋墩距前池翼墻進(jìn)口的距離為55 m時(shí)，清污機(jī)橋墩十分靠近前池進(jìn)口；當(dāng)清污機(jī)橋墩距前池翼墻進(jìn)口的距離達(dá)到160 m時(shí)，清污機(jī)橋墩已接近引渠直段進(jìn)口。

2.2.1 進(jìn)水流道流場(chǎng)分析

從圖5可看到，由于在引渠中設(shè)置清污機(jī)橋，橋墩對(duì)水體運(yùn)行形成阻礙，在橋墩的迎水面流速升高，兩橋墩之間的流速明顯升高，進(jìn)入前池后又降低，直到進(jìn)入進(jìn)水流道向出水口流動(dòng)時(shí)，流速又不斷升高；由于橋墩的影響，在橋墩的下游形成了較長(zhǎng)的尾跡，一直延伸進(jìn)泵站前池。又由于泵站前池直立翼墻90度轉(zhuǎn)彎收縮的原因，在前池的兩側(cè)有大區(qū)域的回流區(qū)。清污機(jī)橋墩距前池翼墻進(jìn)口為90 m時(shí)，與55 m時(shí)的情況相比，引渠中的清污機(jī)橋墩對(duì)泵站進(jìn)水流態(tài)有所改善，但橋墩引起的尾跡仍然影響泵站前池流態(tài)；隨著清污機(jī)橋向彎段方向移動(dòng)，離泵站翼墻的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，清污機(jī)橋墩引起的進(jìn)水流態(tài)變化對(duì)泵站進(jìn)水條件的影響越來(lái)越弱。

圖4 清污機(jī)橋墩不同布置形式

圖5 水體質(zhì)點(diǎn)軌跡圖

2.2.2 進(jìn)水流道水力特性分析

表2、表3給出了在進(jìn)水池水位15.85 m、泵站抽水流量達(dá)157 m3/s、清污機(jī)橋距泵站翼墻進(jìn)口55、90 m計(jì)算工況下，劉老澗抽水站簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的流速分布特性。

表2 55 m計(jì)算工況下進(jìn)水流道進(jìn)口斷面流速分布特性比較

表3 90 m計(jì)算工況下進(jìn)水流道進(jìn)口斷面流速分布特性比較

比較表1與表2、表3可看到，由于引渠中清污機(jī)橋的加入，橋墩對(duì)流態(tài)的影響也反映到流道的進(jìn)口流場(chǎng)中，流道進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻性變差，但在相同工況下，清污機(jī)橋設(shè)置在距泵站翼墻進(jìn)口90 m時(shí)的流場(chǎng)，較55 m時(shí)有一定的改善，此時(shí)，流道進(jìn)口斷面軸向流速分布均勻度均值為83.23%，加權(quán)平均流角均值增加到19.726°。

2.2.3 進(jìn)水流道水力損失

根據(jù)劉老澗抽水站進(jìn)水設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可應(yīng)用后處理程序，抽取出四臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的4個(gè)簸箕形進(jìn)水流道進(jìn)、出口斷面上計(jì)算結(jié)點(diǎn)的流速值和壓力值，應(yīng)用伯努里方程，即可計(jì)算出該流量下的進(jìn)水流道的水力損失值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水力損失匯總表 m

結(jié)果表明，在相同的進(jìn)水條件下，隨著清污機(jī)橋距泵站翼墻進(jìn)口距離增大，劉老澗抽水站4臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的簸箕形進(jìn)水流道的水力損失平均值逐漸減小。與引渠中沒(méi)有清污機(jī)橋時(shí)相比，流道平均水力損失增大量也逐漸減小，清污機(jī)橋距泵站翼墻進(jìn)口為160 m時(shí)，清污機(jī)橋墩對(duì)流道進(jìn)水流態(tài)和水力損失的影響已經(jīng)十分輕微，表明清污機(jī)橋的增加對(duì)泵站進(jìn)水條件的影響已基本消失。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)清污機(jī)橋墩距前池翼墻進(jìn)口為55 m時(shí)，引渠中的清污機(jī)橋墩對(duì)泵站進(jìn)水流態(tài)影響顯著。進(jìn)水流道出口斷面軸向流速分布均勻度均值為92.61%，加權(quán)平均流角均值為3.542°；簸箕形進(jìn)水流道的平均水力損失從無(wú)清污機(jī)橋時(shí)的0.183 m增大到0.206 m。

(2)當(dāng)清污機(jī)橋墩距前池翼墻進(jìn)口為90 m時(shí)，與間距55 m時(shí)的情況相比，引渠中的清污機(jī)橋墩對(duì)泵站進(jìn)水流態(tài)有所改善。流道出口斷面軸向流速分布均勻度均值為93.01%，加權(quán)平均流角均值為3.434°；簸箕形進(jìn)水流道的平均水力損失為0.200 m。

(3)隨著清污機(jī)橋向彎段方向移動(dòng)，離泵站翼墻的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，清污機(jī)橋墩引起的進(jìn)水流態(tài)變化對(duì)泵站進(jìn)水條件的影響越來(lái)越弱。數(shù)值計(jì)算表明，當(dāng)清污機(jī)橋距泵站翼墻的距離達(dá)到160 m時(shí)，4臺(tái)水泵機(jī)組簸箕形進(jìn)水流道的平均水力損失已降低到0.171 m；隨著清污機(jī)橋逐漸向泵站下游移動(dòng)，簸箕形進(jìn)水流道流態(tài)持續(xù)得到改進(jìn)，表明清污機(jī)橋的增加對(duì)泵站進(jìn)水條件的影響已基本消失。

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