王海陽(yáng) 王秀梅

摘 要：為研究反坡條件對(duì)前池?cái)U(kuò)散角的優(yōu)化調(diào)整作用，應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)南水北調(diào)某配套泵站正向進(jìn)水前池進(jìn)行了分析計(jì)算，以工程設(shè)計(jì)的初始方案為基礎(chǔ)，通過(guò)擴(kuò)散角的調(diào)整分析計(jì)算前池水流流態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明：前池設(shè)計(jì)水深較大，前池?cái)U(kuò)散角大于80°時(shí)，池內(nèi)水流無(wú)法有效擴(kuò)散，兩側(cè)回流明顯，邊孔水泵吸水條件惡劣;前池?cái)U(kuò)散角為50°時(shí)，前池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定，擴(kuò)散均勻;前池進(jìn)口段的反坡結(jié)構(gòu)有利于前池水流均勻擴(kuò)散，反坡條件可使前池?cái)U(kuò)散角增大到50°。

關(guān)鍵詞：前池;數(shù)學(xué)模型;流態(tài);反坡;擴(kuò)散角

中圖分類號(hào)：TV675 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.031

Abstract：The diffusion angle of forebay of most positive inflow pumping stations is controlled according to 40°， but some projects cannot meet the design code due to the site conditions， it makes the flow patterns in the forebay disordered and affects the operation of water pump. Adding the diversion pier， bottom sill， water pressure plate and slope are used to improve the flow pattern of the forebay with large diffusion angle. In this paper， a pumping station with counter-slope of the South-to-North Water Transfers was studied numerically based on the unsteady Reynolds averaged N-S equation and the Standard k-ε turbulence model. Based on the initial design of the project， the flow pattern was calculated by adjusting the diffusion angle. The results show that when the diffusion angle is greater than 80°， the flow in the forebay cannot be effectively diffused， the backflow on both sides is obvious， and the suction condition of side hole water pump is poor and even the water depth is large in the forebay. When the diffusion angle is 50 °， the flow pattern in forebay is stable and the flow diffusion is uniform. The counter-slope structure of forebay intake section is conducive to the uniform diffusion of water flow in forebay and the diffusion angle of forebay can be increased to 50° under reverse slope condition.

Key words： pumping station forebay; mathematical modeling; flow pattern; counter-slope; diffusion angle

泵站前池是引水渠和進(jìn)水池的連接建筑物，其主要作用是保證引水渠水流充分?jǐn)U散，平順地進(jìn)入進(jìn)水池，為水泵提供良好的吸水條件。前池的體型和尺寸不僅影響水泵吸水條件，而且對(duì)泵站工程投資和運(yùn)行管理有著很大的影響[1-3]。正向進(jìn)水前池?cái)U(kuò)散角對(duì)前池流態(tài)的影響十分明顯，水從引水渠進(jìn)入前池后，過(guò)水?dāng)嗝鏀U(kuò)大，流速減小，沿程壓力增大，水流在慣性力作用下發(fā)生脫壁現(xiàn)象，前池兩側(cè)產(chǎn)生回流和旋渦，嚴(yán)重的會(huì)波及進(jìn)水池內(nèi)，使水泵進(jìn)口流速和壓力分布不均勻，從而誘發(fā)水泵汽蝕，引起機(jī)組、泵房結(jié)構(gòu)振動(dòng)，影響機(jī)組出力，甚至危機(jī)泵站結(jié)構(gòu)安全[4-7]。

《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265—2010）規(guī)定，正向進(jìn)水前池?cái)U(kuò)散角不應(yīng)大于40°[8]，但工程設(shè)計(jì)中存在如場(chǎng)地狹小等限制因素，使得泵站前池?cái)U(kuò)散角難以滿足規(guī)范要求，而大擴(kuò)散角使得泵站前池水流紊亂，影響機(jī)組運(yùn)行。目前，改善泵站大擴(kuò)散角前池流態(tài)的主要方法為加設(shè)導(dǎo)流墩、底坎、壓水板等。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和流體力學(xué)理論的逐漸成熟，數(shù)值模擬技術(shù)在泵站研究設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用[9-11]。于磊等[12]采用Realizable k-ε湍流模型對(duì)大擴(kuò)散角泵站前池整流措施進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究得出Y型導(dǎo)流墩等措施可以改善前池流態(tài);夏臣智等[13]對(duì)倒T形底坎的泵站前池水流進(jìn)行了數(shù)值模擬;徐存東等[14]研究表明，設(shè)置壓水板能夠顯著改善前池主流效應(yīng)，增強(qiáng)水流平面擴(kuò)散，可有效保證水泵有利的進(jìn)水條件;徐韶華等[15]提出前池建成倒坡池底對(duì)改善水流擴(kuò)散條件具有較好的效果。大擴(kuò)散角前池反坡條件的研究及應(yīng)用很少，筆者以某泵站工程為研究背景，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究分析了前池的流場(chǎng)分布特征，認(rèn)為利用反坡條件可以增大擴(kuò)散角，增加前池容積，提高前池流量調(diào)節(jié)能力。

1 工程背景

某泵站工程為南水北調(diào)中線工程中抽水和反向供水雙向運(yùn)行泵站，設(shè)計(jì)抽水流量18 m3/s，反向供水為自流運(yùn)行，設(shè)計(jì)流量20 m3/s。泵站主要由引水箱涵、前池進(jìn)口段、前池、主泵房、壓力水箱及出水箱涵等建筑物組成，工程縱剖面見(jiàn)圖1。工程建設(shè)場(chǎng)地比較狹小，泵站前引水渠為有壓箱涵且需穿越公路，箱涵高程較低，通過(guò)前池進(jìn)口段上反后連接前池。引水箱涵底高程為-2.33 m，兩孔一聯(lián)4 m×4 m，前池正向進(jìn)水。為減小工程投資，前池及進(jìn)水池底高程為0.70 m。泵房安裝有5臺(tái)立式軸流泵，泵房?jī)蓚?cè)各設(shè)置一條自流道，作為反向供水通道。

考慮泵站引水渠為700 m長(zhǎng)有壓箱涵結(jié)構(gòu)，有壓結(jié)構(gòu)對(duì)水流變化的調(diào)節(jié)能力較差，且在工程反向供水時(shí)自流水頭較高，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大前池容積以增強(qiáng)其調(diào)節(jié)能力。但受場(chǎng)地條件限制，前池最大長(zhǎng)度僅21.5 m?？紤]泵站在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，前池進(jìn)口段出口水流流速較小，斷面平均流速為0.56 m/s，若前池水流充分?jǐn)U散，則前池末端斷面平均流速為0.25 m/s，因此原設(shè)計(jì)方案前池為平面矩形結(jié)構(gòu)，凈寬24.6 m。

2 模型建立

2.1 控制方程及計(jì)算方法

計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型，數(shù)值離散采用有限體積法，二階迎風(fēng)格式及VOF方法對(duì)自由水面進(jìn)行模擬。

2.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

計(jì)算模擬順?biāo)飨蚍謩e為有壓箱涵段20 m，前池進(jìn)口段12 m，前池21.5 m，進(jìn)水池7.5 m。計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖2。計(jì)算入口采用壓力入口，出口控制流量，邊壁糙率取0.012[15]。

2.3 計(jì)算工況

由于泵站最低水位運(yùn)行時(shí)，前池水深最小、流態(tài)最為惡劣，因此重點(diǎn)對(duì)該運(yùn)行條件下前池?cái)U(kuò)散角進(jìn)行分析計(jì)算。泵站流量為18 m3/s，前池水位為3.7 m，單機(jī)流量為3.6 m3/s，工作機(jī)組數(shù)為5，前池水深3 m。

3 前池水流數(shù)值模擬及分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案

為表示前池平面流場(chǎng)分布情況，水平截取前池1/2水深、高程z=2.2 m處平面作為代表，顯示前池平面流場(chǎng)（見(jiàn)圖3）。同時(shí)為分析前池內(nèi)水流分布變化情況，分別取池首、池中及池尾3個(gè)橫斷面進(jìn)行對(duì)比，各斷面流速分布見(jiàn)圖4。

計(jì)算結(jié)果表明，在前池設(shè)計(jì)水深加大的情況下，矩形前池流場(chǎng)紊亂，水流進(jìn)入前池后兩側(cè)回流強(qiáng)烈，回流最大流速約為0.5 m/s，回流區(qū)長(zhǎng)度約為15 m，寬度約為8 m，擠壓主流明顯，致使水流難以充分?jǐn)U散。泵站運(yùn)行時(shí)，水流的紊動(dòng)可延伸至進(jìn)水池內(nèi)。初始方案中的矩形前池不能滿足水泵進(jìn)流的水流條件，需兼顧容積調(diào)節(jié)、水流平順兩個(gè)條件對(duì)前池進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案考慮適當(dāng)減小前池?cái)U(kuò)散角，但受場(chǎng)地等因素制約前池?cái)U(kuò)散角不能滿足規(guī)范要求的小于40°，為兼顧前池容積調(diào)節(jié)、水流平順兩個(gè)條件，擬定擴(kuò)散角為80°的方案一和擴(kuò)散角為50°的方案二分別進(jìn)行計(jì)算分析。方案一計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

計(jì)算結(jié)果表明，擴(kuò)散角為80°時(shí)前池入流兩側(cè)脫壁現(xiàn)象明顯，回流最大流速約為0.12 m/s，回流區(qū)域長(zhǎng)約為10 m、寬約為4 m，主流中間流線平順，兩側(cè)流線彎曲明顯，泵站運(yùn)行中容易引起兩邊孔進(jìn)水池水流紊動(dòng)，降低邊孔水泵工作效率，擬定前池?cái)U(kuò)散角為80°的方案不能滿足工程運(yùn)行要求。對(duì)該方案按工程正常運(yùn)行水位條件，即前池水位6.4 m，池內(nèi)水深5.4 m情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前池兩側(cè)仍有回流脫壁現(xiàn)象，兩邊孔機(jī)組進(jìn)水池流態(tài)仍不均勻，可見(jiàn)在前池水位較高的情況下，80°擴(kuò)散角仍不能滿足工程正常運(yùn)行的要求。

方案二計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)前池?cái)U(kuò)散角為50°時(shí)，前池內(nèi)無(wú)明顯回流發(fā)生，水流擴(kuò)散均勻，各進(jìn)水池內(nèi)水流穩(wěn)定，可以保證機(jī)組正常工作。國(guó)內(nèi)已建泵站工程前池?cái)U(kuò)散角大多小于40°（見(jiàn)表1），該工程擴(kuò)散角已超過(guò)規(guī)范及工程慣例范圍。分析該工程特點(diǎn)，引水箱涵和前池之間高差通過(guò)1∶2.5反坡連接，該反坡有利于前池水流穩(wěn)定擴(kuò)散，反坡減弱了水流前池?cái)U(kuò)散中因斷面擴(kuò)大而造成流速減小和沿程壓力增大的趨勢(shì)，可見(jiàn)利用前池反坡可以優(yōu)化前池?cái)U(kuò)散角，并保證前池水流穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

泵站大擴(kuò)散角正向進(jìn)水前池，水流無(wú)法有效擴(kuò)散，主流集中，前池兩側(cè)回流明顯，邊孔水泵吸水條件惡劣。計(jì)算表明，擴(kuò)散角對(duì)泵站前池水流流態(tài)影響非常明顯，隨著擴(kuò)散角度的減小，前池流態(tài)逐步改善。通過(guò)前池進(jìn)口段的反坡結(jié)構(gòu)調(diào)整了水流擴(kuò)散分布，使前池水流均勻擴(kuò)散，通過(guò)設(shè)置反坡結(jié)構(gòu)可使前池?cái)U(kuò)散角增大到50°。

本文結(jié)合工程已有設(shè)計(jì)方案，對(duì)現(xiàn)有反坡條件下前池?cái)U(kuò)散角取值范圍進(jìn)行了研究，反坡坡比與前池?cái)U(kuò)散角的對(duì)應(yīng)關(guān)系等尚需進(jìn)一步深入研究。目前該工程已按推薦方案完成施工，運(yùn)行過(guò)程觀測(cè)前池水流條件較好，泵站吸水穩(wěn)定。對(duì)受場(chǎng)地、地形等限制而無(wú)法滿足規(guī)范要求的大擴(kuò)散角前池，可以結(jié)合進(jìn)口設(shè)計(jì)設(shè)置反坡以改善前池流態(tài)。對(duì)于多泥沙河流的引水及污水排水泵站，反坡的設(shè)置應(yīng)充分考慮淤積問(wèn)題。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】