高傳昌， 解克宇， 黃丹， 劉新陽(yáng)， 李鄭淼

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

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不同水位對(duì)泵站進(jìn)水池流態(tài)影響的數(shù)值模擬

高傳昌， 解克宇， 黃丹， 劉新陽(yáng)， 李鄭淼

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

摘要：采用Volume of Fluid(VOF)模型對(duì)田山泵站進(jìn)水池進(jìn)行了三維流場(chǎng)計(jì)算，分析了不同水位及開(kāi)機(jī)組合情況下泵站進(jìn)水池的水流流態(tài).研究發(fā)現(xiàn)：泵站低水位運(yùn)行時(shí)，由于淹沒(méi)深度較小，進(jìn)水池水面存在較為劇烈的波動(dòng)；進(jìn)水池中水流流態(tài)發(fā)生惡化，出現(xiàn)了水面旋渦和水中旋渦；在附底渦和進(jìn)水池兩側(cè)附壁渦的共同作用下，進(jìn)水喇叭口正下方存在劇烈的旋渦，對(duì)機(jī)組的水力性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.

關(guān)鍵詞：泵站；水位；旋渦；流態(tài)；VOF模型

進(jìn)水池是水泵直接從中取水的水工建筑物，其水流的流態(tài)對(duì)水泵的進(jìn)水性能具有顯著的影響.如果進(jìn)水池內(nèi)水流紊亂，出現(xiàn)旋渦，不僅會(huì)降低水泵的取水效率，甚至?xí)饳C(jī)組汽蝕、振動(dòng)而無(wú)法工作[1].在實(shí)際工程中，進(jìn)水池的布置應(yīng)滿(mǎn)足水流順暢、流速均勻、池內(nèi)流態(tài)良好、不出現(xiàn)吸氣旋渦和旋流的要求，保證水泵有著良好的吸水條件.因此,需要對(duì)泵站進(jìn)水池進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算，對(duì)進(jìn)水池的流態(tài)進(jìn)行研究，并改善泵站進(jìn)水池的流態(tài)，保證水泵安全、高效地運(yùn)行[2-3].

田山泵站位于山東省平陰縣城北，從黃河取水，以供城市用水和灌溉用水，安裝了12臺(tái)軸流泵(含4臺(tái)備用)，設(shè)計(jì)提水能力24 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程7.7 m，裝機(jī)容量2 520 kW.該泵站于1971年建成并投入使用.2009年，泵站采用了非連續(xù)底坎、非連續(xù)挑流消能坎和壓水板3種整流措施相結(jié)合的整流方式(其中非連續(xù)底坎、非連續(xù)挑流消能坎交錯(cuò)布置)，對(duì)由于控制閘門(mén)開(kāi)度形成的淹沒(méi)射流而導(dǎo)致的水流紊亂、流態(tài)惡化等情況進(jìn)行了改造，取得了良好的效果[4].然而，由于近年來(lái)黃河水位進(jìn)一步下降，泵站長(zhǎng)時(shí)間處于低水位運(yùn)行，引起了前池和進(jìn)水池的流態(tài)惡化，導(dǎo)致水泵進(jìn)水喇叭口和葉輪產(chǎn)生汽蝕，在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)在水泵葉片的外邊緣出現(xiàn)了斷裂和蜂窩狀凹坑.為探究低水位時(shí)進(jìn)水池流態(tài)的變化情況及出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因，針對(duì)泵站低水位運(yùn)行時(shí)水面波動(dòng)較劇烈的現(xiàn)象，本文采用更接近實(shí)際情況的Volume of Fluid(VOF)模型[5]對(duì)進(jìn)水池的流態(tài)進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算研究，以期對(duì)泵站進(jìn)水池的改造提供技術(shù)依據(jù).

1數(shù)學(xué)模型

由于田山泵站中引水的含沙量低于5%，屬于低濃度兩相流的范疇，可以忽略泥沙對(duì)水流的影響[6]，且考慮水位隨時(shí)間的變化情況，所以計(jì)算時(shí)采用VOF模型進(jìn)行非定常數(shù)值模擬.

VOF模型通過(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的容積比來(lái)模擬流體的運(yùn)動(dòng).在每一個(gè)計(jì)算單元中，所有相的體積分?jǐn)?shù)的和為1,設(shè)第q相的體積分?jǐn)?shù)為αq.計(jì)算只有水和空氣2相，設(shè)控制單元中水相的體積分?jǐn)?shù)為α1，空氣相的體積分?jǐn)?shù)為α2，則有：

α1ρ1+α2ρ2=ρ,

(1)

α1+α2=1.

(2)

式中:ρ為混合流體的密度;α1、α2分別為第1相和第2相的體積分?jǐn)?shù)；ρ1、ρ2分別為第1相和第2相的密度.

連續(xù)性方程：

(3)

動(dòng)量方程：

(4)

采用湍流黏性系數(shù)法使動(dòng)量方程封閉：

(5)

采用RNGk-ε湍流模型使動(dòng)量方程封閉，對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能k和耗散率ε的計(jì)算方程式如下：

(6)

(7)

式中各項(xiàng)符號(hào)的具體含義見(jiàn)文獻(xiàn)[7].

2物理模型及邊界條件

2.1　計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

田山一級(jí)泵站有防洪進(jìn)水閘、前池、機(jī)房、壓力水池等組成.總體布置為：沿黃河河岸線布置6孔防洪進(jìn)水閘，正常設(shè)計(jì)水位34.3 m，最低水位33.7 m，閘底板高程31.0 m，防洪堤高程42.0 m；進(jìn)水角度90°；防洪進(jìn)水閘后接前池，長(zhǎng)10.2 m，前池后接機(jī)房；機(jī)房與防洪進(jìn)水閘平行，分上、下2層，下層為水泵進(jìn)水室，上層為電動(dòng)機(jī)房；2個(gè)水泵室合用1孔防洪進(jìn)水閘，機(jī)房后部有水泵出水管與壓力水池連接.計(jì)算區(qū)域包括1孔防洪進(jìn)水閘之后的2個(gè)進(jìn)水池，且為更好地反映出進(jìn)水池整體來(lái)流條件及水力特性，計(jì)算區(qū)域包含了前池(包括挑流坎和底坎)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

為了減小計(jì)算量，并滿(mǎn)足計(jì)算精度要求，將模型劃分為多個(gè)區(qū)域.規(guī)則區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，個(gè)別不規(guī)則區(qū)域采用混合網(wǎng)格,進(jìn)水喇叭口與進(jìn)水管附近網(wǎng)格局部加密，模型總網(wǎng)格數(shù)量約為300萬(wàn)個(gè)，如圖2所示.

圖1　前池和進(jìn)水池結(jié)構(gòu)及分析截面示意圖

圖2　計(jì)算網(wǎng)格示意圖

2.2　邊界條件和算法

進(jìn)、出口邊界條件均采用速度進(jìn)口邊界，且假定速度均勻分布，速度大小由流量和進(jìn)口面積決定.進(jìn)水池和前池為開(kāi)敞式，水面設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界，其大小為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理.進(jìn)口選擇3個(gè)水位：33.2、33.0、32.8 m.開(kāi)機(jī)組合分為單泵和雙泵，單泵流量為7 000 m3/h.

采用非定常RNGk-ε模型計(jì)算；采用有限體積法對(duì)瞬態(tài)相進(jìn)行離散；壓力和速度耦合采用SIMPLE算法求解；速度、湍動(dòng)能等方程對(duì)流項(xiàng)離散均采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間格式為二階隱式格式.在各速度進(jìn)口邊界的流量穩(wěn)定且各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的流速不再變化時(shí)，即可認(rèn)為流場(chǎng)接近于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài).

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　水面動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

泵站低水位運(yùn)行時(shí)，淹沒(méi)深度減小.開(kāi)泵之后到機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，水面出現(xiàn)波動(dòng).雙泵運(yùn)行時(shí)水流流速增大，水面波動(dòng)也較單泵更大.限于篇幅，這里僅給出了單泵運(yùn)行情況下水位為33.2 m和32.8 m時(shí)進(jìn)水管中心線(x=2 150 mm剖面)的水面動(dòng)態(tài)高程云圖,分別如圖3和圖4所示.從圖3和圖4可以看出:T=20 s之前，進(jìn)水池水位波動(dòng)較為明顯；T=20 s之后，進(jìn)水池水面趨于平穩(wěn)；T=60 s時(shí)，水泵進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，水面波動(dòng)消失；32.8 m水位的淹沒(méi)深度較33.2 m水位的更小，其水面波動(dòng)也更劇烈.

圖3　水位33.2 m時(shí)進(jìn)水管中心線的水面動(dòng)態(tài)高程云圖

圖4　水位33.8 m時(shí)進(jìn)水管中心線的水面動(dòng)態(tài)高程云圖

3.2　水面流態(tài)分析

右側(cè)進(jìn)水池在單泵和雙泵運(yùn)行情況下(不同水位)的水面流態(tài)矢量分別如圖5和圖6所示.可以看出：雖然雙泵開(kāi)啟時(shí)的水面波動(dòng)較單泵劇烈，但穩(wěn)定運(yùn)行之后的水面流態(tài)大致相同；33.2 m水位時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)表面旋渦，其余2個(gè)水位時(shí)均出現(xiàn)了不同程度的表面旋渦，且旋渦主要分布在進(jìn)水管周?chē)?這是由于當(dāng)進(jìn)水管口淹沒(méi)深度較小時(shí)，流量沒(méi)有發(fā)生變化，造成池中表層水流流速增大，水流紊亂，較易在進(jìn)水池中后部出現(xiàn)表面旋渦.

圖5　單泵運(yùn)行時(shí)的水面流態(tài)矢量圖

圖6　雙泵運(yùn)行時(shí)的水面流態(tài)矢量圖

3.3　y剖面流態(tài)分析

剖面分析主要是分析在低水位條件下水中旋渦的位置、類(lèi)型.模擬中發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)水位及開(kāi)機(jī)組合情況下均出現(xiàn)水中旋渦，且旋渦的類(lèi)型和位置相似.現(xiàn)就水位33.0 m、單泵運(yùn)行情況進(jìn)行剖面分析.

y=1 500 mm剖面距水面0.6 m，y=1 000 mm剖面為進(jìn)水喇叭口所在平面，y=500 mm剖面為進(jìn)水喇叭口和池底之間的中面，y=0 mm為進(jìn)水池底所在的平面.各剖面的速度矢量如圖7所示.從圖7中可以看出：y=1 500 mm剖面存在著水中旋渦，主要分布在進(jìn)水管的周?chē)?，尤以進(jìn)水管到進(jìn)水池后墻之間最多；y=1 000 mm剖面中進(jìn)水管到后墻之間的旋渦消失，進(jìn)水管前方的旋渦仍然存在；y=500 mm、y=0 mm剖面位于喇叭口的下方，在喇叭口的正下方出現(xiàn)了水中旋渦和附底渦，該旋渦引起了喇叭口內(nèi)的流速分布不均，使葉輪葉片外緣壓力降低，最終產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕，葉片出現(xiàn)蜂窩狀凹坑和斷裂.

圖7　進(jìn)水池y剖面速度矢量圖

3.4　x剖面流態(tài)分析

x=0 mm剖面為進(jìn)水管道中心線所在平面，x=650 mm剖面為進(jìn)水喇叭口右側(cè)邊線所在平面，x=1 250 mm剖面為進(jìn)水喇叭口和右側(cè)邊壁之間的中面，x=1 650 mm為進(jìn)水右側(cè)邊壁所在的平面.各剖面的速度矢量如圖8所示.

圖8　進(jìn)水池x剖面速度矢量圖

從圖8中可以看出：進(jìn)水管的中心剖面(x=0 mm)沒(méi)有出現(xiàn)旋渦；在其余3個(gè)剖面均出現(xiàn)了旋渦，且旋渦位置基本處于與來(lái)流方向垂直的同一條直線上，可認(rèn)為是同一旋渦；邊壁處出現(xiàn)一大一小2處附壁旋渦，原因是進(jìn)水池邊壁處的水流存在著較大的流速梯度和水流分離現(xiàn)象，但隨著離邊壁距離的增加，旋渦逐漸減小，在進(jìn)水喇叭口的下方時(shí)，小旋渦消失，大旋渦仍然存在并延伸到進(jìn)水管內(nèi)部.

4結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用VOF模型對(duì)田山泵站前池和進(jìn)水池進(jìn)行了三維流場(chǎng)計(jì)算，分析了在不同水位及開(kāi)機(jī)組合時(shí)的進(jìn)水池的流態(tài)，得到了以下結(jié)論：

1)在各工況下，由于進(jìn)水池淹沒(méi)深度偏小，進(jìn)水池前端水流流速分布不均，泵開(kāi)啟之后的水面都存在著波動(dòng)，水位越低，波動(dòng)越劇烈；相同水位下，雙泵開(kāi)啟時(shí)的水面波動(dòng)比單泵大.

2)33.2 m水位時(shí)的淹沒(méi)深度較其他2個(gè)水位的深，其水面流態(tài)相對(duì)平緩，沒(méi)有出現(xiàn)水面旋渦；33.0 m水位和32.8 m水位時(shí)則出現(xiàn)了水面旋渦.

3)進(jìn)水池兩側(cè)邊壁均存在附壁旋渦，該旋渦一直延伸到喇叭口內(nèi)；單泵運(yùn)行時(shí)的進(jìn)水池池底旋渦大于雙泵運(yùn)行時(shí)的池底旋渦，且該旋渦正對(duì)喇叭口下方并延伸到喇叭口內(nèi)；進(jìn)水管至進(jìn)水池后墻之間存在旋渦，但后墻無(wú)附壁旋渦；在附壁旋渦和池底旋渦共同作用下，進(jìn)水池池底至喇叭口之間存在較為劇烈的旋渦.

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯：陳海濤)

Numerical Simulation on the Effect of the Different Water Level on

Flow State of Intake Sump of Pump Station

GAO Chuanchang， XIE Keyu， HUANG Dan， LIU Xinyang， LI Zhengmiao

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:The Volume of Fluid(VOF) model is used to conduct three-dimensional flow field calculation of intake sump of Tianshan pumping station, and the flow state of intake sump of pump station is analyzed under the condition of different water level and power combinations. The results show that: when pumping stations run at a low water level, since the submerged water depth decreases, there is more severe fluctuations on the water surface of the intake sump; furthermore, since water flow state in the intake sump occurs deterioration, there has been free surface vortex and vortex in water. Finally, in the joint action of bottom-attached vortex and sidewall-attached vortex, strong vortex appears just below the bell mouth, which will have a serious impact on the hydraulic performance of water pump set.

Keywords:pumping station; water level; vortex; flow state; numerical simulation; VOF model

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)06-0010-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TV131

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.003

作者簡(jiǎn)介：高傳昌(1957—)，男，河北邯鄲人，教授，博導(dǎo)，博士，主要從事水利水電工程方面的研究.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309099)；水利部公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(201201085)；華北水利水電大學(xué)創(chuàng)新計(jì)劃(HSCX2014118)；華北水利水電大學(xué)創(chuàng)新課題(YK2014-14).

收稿日期:2015-09-01