楊明會

(喀左縣農(nóng)田建設(shè)管理中心，遼寧 喀左縣 122300)

1 工程背景

遼繞泵站位于遼寧省鞍山市臺安縣境內(nèi)，是一座建成于20世紀(jì)60年代的大型排灌泵站。經(jīng)過多年的運行，其病害情況已經(jīng)十分突出，亟待進行更新改造。2019年，遼寧省投入巨資更新改造兩座大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水項目和兩座灌溉排水泵站，遼繞泵站就是其中之一。按照更新改造設(shè)計，泵站布置4臺機組，為55°大擴散角前池設(shè)計模式。前池是重要的取水建筑物，其主要作用是將引渠和進水流道合理聯(lián)結(jié)，保證水流能夠平順進入進水流道，為泵站的安全穩(wěn)定運行提供良好的進水條件[1]。一旦前池內(nèi)出現(xiàn)不良流態(tài)，就會造成水泵的進水條件惡化，甚至?xí)饳C組振動、產(chǎn)生噪聲，影響其正常運行和使用壽命。

背景工程的原始設(shè)計方案并沒有在前池內(nèi)設(shè)置任何整流措施。模型試驗結(jié)果顯示，水流進入前池時出現(xiàn)了水流集中，在前池內(nèi)難以及時擴散，并導(dǎo)致兩側(cè)水流脫壁產(chǎn)生回流，并在邊壁附近產(chǎn)生漩渦并進入進水池。同時，1號和4號進水池前端存在明顯的低速和漩渦區(qū)，偏流現(xiàn)象十分嚴(yán)重。在長時間運行的情況下，漩渦部位還會形成比較嚴(yán)重的泥沙淤積，進一步惡化機組的進水條件[2]。鑒于模型試驗成本投入較大，此次研究利用數(shù)值模擬的方式，探討在前池內(nèi)設(shè)置楔形導(dǎo)流墩，并通過調(diào)整其位置、角度和大小等參數(shù)，以改善前池的不良流態(tài)，為工程設(shè)計和建設(shè)提供有益的支持和借鑒。

2 有限元計算模型

2.1 模型的構(gòu)建

UG(UnigraphicsNX)是Siemens PLM Software公司推出一款三維參數(shù)化有限元軟件，可以通過曲線操作、草圖設(shè)計等建模方式進行研究對象的實體構(gòu)造設(shè)計，在模擬研究過程中還可以隨時對模型進行修改和校正，十分適合此次優(yōu)化設(shè)計研究[3]。因此，此次研究采用UG 9.0軟件進行背景工程的軟件建模。

在模型的網(wǎng)格單元剖分過程中，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以有效彌補結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的各種缺陷和不足，適用于生成復(fù)雜的流體模型機械網(wǎng)格[4]。因此，此次研究采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行模型的網(wǎng)格剖分，最終獲取14405個網(wǎng)格單元，12263個網(wǎng)格節(jié)點。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件

所有的CFD問題均需要邊界條件，結(jié)合本文研究的實際需要和相關(guān)的研究經(jīng)驗，模型的進口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量進口邊界條件，中等紊流強度為5%；模型的出口邊界設(shè)置為水泵出水流道的出口處，且水流方向與模型的出口斷面垂直，采用平均凈壓出口邊界條件，壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[5]；模型的壁面為固體壁面條件，將模型的壁面設(shè)置為無滑移的光滑壁面，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進行設(shè)定和描述；模型的進水池、前池以及出水池的水面均為自由液面。并將其設(shè)定為對稱邊界[6]。

2.3 模型的求解

計算模型的求解采用的是全隱式耦合多網(wǎng)格線性求解器CFX16.0，其離散以有限體積法為基礎(chǔ)，計算中選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，選擇一階迎風(fēng)格式對水流的動量、湍動能和湍流耗散進行離散，使模型計算不僅符合精度要求，同時也可以快速求解，降低求解復(fù)雜度[7]。最后，在求解過程中設(shè)置時間步長為1，最大迭代次數(shù)為1000次，各監(jiān)控的收斂精度設(shè)定為10-5。

流速均勻度是表示特征斷面順?biāo)较虻乃俣确植季鶆虺潭?，其?shù)值越大表明斷面流速分布越均勻[8]；斷面加速加權(quán)平均角是衡量特征斷面上的橫向流速的重要指標(biāo)；因此此次研究中將上述兩個指標(biāo)作為方案優(yōu)化和評價的主要指標(biāo)。在此次研究中選擇垂直于主流方向的縱剖面(剖面A)作為特征斷面，計算流態(tài)評價指標(biāo)，對優(yōu)化方案進行評價。

3 優(yōu)化方案與計算結(jié)果分析

針對原始設(shè)計方案模型試驗存在的問題，提出整流優(yōu)化方案1：在前池的進口部位設(shè)置高度為水深0.2倍的楔形導(dǎo)流墩，其頂角為55°，底寬為2.4D(D為水泵吸水管直徑)以引導(dǎo)高速水流的擴散。利用構(gòu)建的有限元模型，對前池流態(tài)進行計算，結(jié)果如表1所示。由計算結(jié)果可以看出，受到楔形導(dǎo)流墩導(dǎo)流作用的影響，水流可以較為均勻平順地進入1號和4號進水池，這兩個部位的斷面流速均勻度和流速加權(quán)平均角均有明顯增大。但是，該方案的2號和3號進水池斷面流速均勻度和流速加權(quán)平均角明顯減小，說明該方案參數(shù)設(shè)計不合理，影響到2號和3號進水池的水流流態(tài)，需要進一步優(yōu)化。

表1 方案1和原方案評價指標(biāo)計算結(jié)果

針對優(yōu)化方案1存在的問題，減小導(dǎo)流墩的頂角角度為30°，底寬同時減小為1.2D，位置和高度等其余因素保持不變，提出優(yōu)化方案2。利用構(gòu)建的有限元模型對優(yōu)化方案2的評價指標(biāo)進行計算，結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可以看出，優(yōu)化方案2導(dǎo)流墩的頂角減小，因此對水流的分流作用有所減弱，因此對2號和3號進水池的影響有所減小，1號和4號進水池的兩個評價指標(biāo)有小幅上升，但是改善效果并不明顯，仍需要進一步優(yōu)化改進。

表2 方案2評價指標(biāo)計算結(jié)果

鑒于優(yōu)化方案2的導(dǎo)流墩頂角過小，對水流的分流作用明顯減弱，因此將楔形導(dǎo)流墩的頂角擴大至90°，將導(dǎo)流墩底邊長保持不變，提出優(yōu)化方案3。利用構(gòu)建的有限元模型對優(yōu)化方案3進行模擬計算，結(jié)果見表3。從計算結(jié)果可以看出，較方案2而言，較大的導(dǎo)流墩頂角有助于改善1號和4號進水池的流態(tài)，但是導(dǎo)流墩本身尺寸過小，分流效果明顯偏弱，難以達到理想的整流效果，因此可以考慮通過多個楔形導(dǎo)流墩的組合搭配，實現(xiàn)在不影響2號和3號進水池流態(tài)的情況下，最大限度改善1號和4號進水池流態(tài)的目的。

表3 方案3評價指標(biāo)計算結(jié)果

結(jié)合方案3的計算結(jié)果，在前池水流的進口部位設(shè)置兩個對稱分布的楔形導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩的水平斷面為直角三角形，底寬為1.2d，頂角為45°，另一直角邊和水流方向平行，力求在不影響2號和3號進水池流態(tài)的情況下，改善1號和4號進水池流態(tài)，獲得優(yōu)化方案4。利用構(gòu)建的有限元模型對方案4進行模擬計算，結(jié)果見表4。由計算結(jié)果可知，該方案對2號和3號進水池的流態(tài)影響并不大，1號和4號進水池的流速分布均勻度和流速加權(quán)平均角有大幅增加，說明設(shè)置兩個楔形導(dǎo)流墩對改善1號和4號進水池具有明顯作用，但是仍未達到較為理想的效果。

表4 方案4評價指標(biāo)計算結(jié)果

針對方案4的計算結(jié)果，將兩個對稱的楔形導(dǎo)流墩向下游方向移動2D，獲得優(yōu)化方案5。利用構(gòu)建的有限元計算模型，對優(yōu)化方案5進行模擬計算，結(jié)果見表5。由計算結(jié)果可以看出，在優(yōu)化方案5的條件下，各個進水池的流速分布均勻度和流速加權(quán)平均角較方案4有所增加，特別是1號和4號進水池的兩個指標(biāo)有大幅提升，且與2號和3號進水池的計算結(jié)果比較接近。由此可見，在優(yōu)化方案5的條件下，水流在進入前池時在導(dǎo)流墩的引導(dǎo)下能夠快速擴散，能均勻、平順地進入各個進水池，取得了良好整流效果。

表5 方案5評價指標(biāo)計算結(jié)果

4 結(jié)語

在大型泵站設(shè)計建設(shè)過程中，在前池設(shè)置科學(xué)、合理的整流結(jié)構(gòu)對保證泵站機組的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義和作用。此次研究針對遼繞泵站大擴散角前池水流流態(tài)較差的實際問題，利用數(shù)值模擬的方式進行楔形導(dǎo)流墩改善前池流態(tài)的方案優(yōu)化研究，并提出了最佳的優(yōu)化方案。針對這一方案，利用模型試驗研究的方式進行驗證，試驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果較為吻合，水流能夠十分平順地進入前池，保證泵站機組的穩(wěn)定工作。當(dāng)然，此次研究沒有對楔形導(dǎo)流墩的高度因素的影響進行進一步的探究，在今后的研究中需要進一步的分析和完善，以獲取更好的楔形導(dǎo)流墩整流方案。