韋理常

精佳建設(shè)工程集團(tuán)有限公司 重慶 九龍坡 400050

0 引言

無論是在舊河道整治還是排澇工程，進(jìn)水流道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)都顯得尤為關(guān)鍵。進(jìn)水流道是泵站前池和水泵葉輪室之前的過渡裝置，是為了保證水流穩(wěn)定性，提高水力設(shè)計(jì)質(zhì)量的基本環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)影響到葉輪室內(nèi)水流流態(tài)，也可能會(huì)導(dǎo)致脫流現(xiàn)象發(fā)生，從而影響水泵裝置的使用功能。CFD數(shù)值模擬技術(shù)適應(yīng)能力強(qiáng)，例如可選擇不同流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行各種數(shù)值的模擬和分析。其不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗?，具有較高的靈活性。但是，其也存在一定的使用局限性。本文就分別從進(jìn)水和出水流道兩個(gè)層面，重點(diǎn)對進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)和出水流道邊界條件的優(yōu)化進(jìn)行探討，旨在為提升水利工程設(shè)計(jì)質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。

1 水利工程進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

按照水利工程《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，要求進(jìn)水流道的線型結(jié)構(gòu)應(yīng)該是平滑、平順的，各個(gè)流經(jīng)的斷面也應(yīng)該是均勻合理的，而我們都知識水體的流速是根據(jù)流經(jīng)斷面的變化而變化的，不同斷面，水流速度是不相同的。例如在彎道，水流由于受到慣力的作用，會(huì)與離心力共同作用，導(dǎo)致內(nèi)流流速高于外側(cè)的流速，待水流流經(jīng)直線斷面時(shí)，流速又會(huì)進(jìn)行重新的調(diào)整、重新的分布。

在直線上升階段，水流會(huì)由于平面方向發(fā)生一定程度的擴(kuò)散，并且流速會(huì)出現(xiàn)降低，流速的分布進(jìn)一步的變化。

在流道的進(jìn)口部分，如果水流處于彎曲的部分，就會(huì)受到慣性影響，因此在直線的上升部分水流的速度比下降部分要快。在駝峰地區(qū)，為提高水流挾氣力，降低虹吸時(shí)間，可借助優(yōu)化加速流度，進(jìn)一步對直線上升部分進(jìn)行調(diào)整。在駝峰入口，要保持?jǐn)嗝娌糠至魉倬鶆颉ＴO(shè)計(jì)上還要考慮流體通過駝峰斷面，具有離心作用，中下流速比上部高。由于流道下降區(qū)，水體的慣性和邊壁之間的聯(lián)系是相同的，流道內(nèi)、外側(cè)的水體以較高的速度流動(dòng)，流速在平緩狀態(tài)下變化，很少出現(xiàn)旋渦或脫流。泵站開工后，水流從引渠進(jìn)入前池，經(jīng)進(jìn)水通道到達(dá)葉輪室，設(shè)計(jì)中要考慮邊界情況，分析地點(diǎn)是否適合。進(jìn)口邊境條件的快速優(yōu)化適用于無壓縮流體的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中要注意速度不會(huì)受到影響。

因此，為了避免流體在進(jìn)口中受到影響，對流體速度的分布進(jìn)行優(yōu)化。借助于計(jì)算流道邊界的條件，借助于模型對水流道的數(shù)值變化，優(yōu)化了流場進(jìn)口的斷面，前池要比進(jìn)水道的入口遠(yuǎn)得多。如果流道與水的方向垂直，則可認(rèn)為流速均勻分布在斷面上，流量計(jì)算與進(jìn)口的邊界相結(jié)合，可將進(jìn)口速度視為邊境條件。為了準(zhǔn)確地計(jì)算出口邊界，優(yōu)化時(shí)要結(jié)合流場，將沿出水方向的進(jìn)口流道延長，以保證自由流的邊界性得到充分?jǐn)U大，使自由流的邊境條件得到滿足。

2 出水流道邊界條件優(yōu)化

針對泵站出水通道，要結(jié)合流量變化和壓力的變化。水流通過導(dǎo)葉體的出口旋轉(zhuǎn)進(jìn)入水流通道，然后進(jìn)入出水通道。由于導(dǎo)葉體的出口有斷面壓力，水體流速不均勻，但這個(gè)數(shù)據(jù)很難測出來。為了精確地測定進(jìn)口的邊境條件，利用流場變化的方法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，使出水流道沿逆水流方向在進(jìn)口部分的斷面上等直徑延長。進(jìn)口流場斷面可以用距圓管的2倍直徑來計(jì)算流道的距離。水流的速度被視為是均勻的分布。計(jì)算中的流量是以已知的條件為基礎(chǔ)，計(jì)算流場進(jìn)口的邊界條件，研究是否能夠滿足邊境條件的進(jìn)口速度。計(jì)算水流道流場，出口斷面選擇垂直水流方向，設(shè)置于距離出口道水流平穩(wěn)區(qū)域，針對出口水流的方向優(yōu)化，以保證流動(dòng)充分的水流，可借助于自由出口邊界條件。針對流場計(jì)算，還要將水池的底壁、遠(yuǎn)流道和導(dǎo)葉出口邊壁結(jié)合起來。邊界處理的依據(jù)是固壁定律。對固壁邊界進(jìn)行處理，是為了保證不受滑動(dòng)的影響，對固壁部分進(jìn)行優(yōu)化。針對固壁節(jié)點(diǎn)端流的優(yōu)化，可采固壁對數(shù)函數(shù)進(jìn)行處理。

3 流道的網(wǎng)格計(jì)算

水利工程中流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)可借助網(wǎng)格計(jì)算開展，其是建立有限元模型的關(guān)鍵，因此在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，要充分的結(jié)合有限元模型，對網(wǎng)格進(jìn)行合理劃分，并且降低對計(jì)算精度的影響。在數(shù)值計(jì)算優(yōu)化的過程中，要充分的結(jié)合數(shù)值優(yōu)化過程，符合進(jìn)水和出水流道水流數(shù)值，借助三維立體軟件，對不同區(qū)域采取網(wǎng)格類型，還要結(jié)合網(wǎng)格尺寸是否與進(jìn)水流道流場相互符合。此外，網(wǎng)格的劃分過程中，要對具體的數(shù)值收斂情況進(jìn)行細(xì)化，對收斂精度產(chǎn)生的影響進(jìn)行細(xì)致的分析，因此在多次優(yōu)化后，要進(jìn)行多方面的綜合比較，確保獲取最為有效的網(wǎng)格。

4 結(jié)束語

綜上所述，排澇工程泵站進(jìn)水流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)影響因素是多方面的，因此要結(jié)合具體的水利工程，開展綜合性分析。首先，需要通過進(jìn)水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免流體在進(jìn)口中受到影響，對流體速度的分布進(jìn)行優(yōu)化，建立模型，開展數(shù)值動(dòng)態(tài)分析；其次，出水流道邊界條件優(yōu)化，保證出口道水流平穩(wěn)；最后應(yīng)開展流道的網(wǎng)格計(jì)算，明確各個(gè)參數(shù)的計(jì)算要求，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化。