雷 恒，李 穎，羅全勝

(1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003；2．小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475003)

雨水泵站前池[1]的水流流態(tài)對水泵運(yùn)行時(shí)的效率、汽蝕程度、振動及噪聲產(chǎn)生較大影響，不良的流態(tài)會嚴(yán)重影響水泵的性能。傳統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)受到場地限制、人身安全、測量精度等因素影響，所得結(jié)果與取值范圍有較大出入。隨著流體動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，采用CFD技術(shù)能有效地模擬復(fù)雜的過程、降低成本、提高精度。國內(nèi)學(xué)者焦建廷[2]通過數(shù)值模擬，分析了泵站前池和進(jìn)水池的水流流態(tài)；高傳昌[3]等對泵站前池與進(jìn)水池水流通過數(shù)值模擬提出了整流方案。國外學(xué)者Rejowski Jr R[4]等、Spence R[5]等對前池結(jié)構(gòu)、進(jìn)水流態(tài)和運(yùn)行調(diào)度等方面提出了很好的建議和措施。本文以孟加拉國Kamalapur雨水泵站為例，建立數(shù)學(xué)模型和湍流模型，對該泵站前池水流流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過水力模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證，保證運(yùn)行時(shí)不會發(fā)生重要的問題，水流無有害漩渦，并不會對原型泵的運(yùn)行造成影響。

1 工程概況

Kamalapur雨水泵站位于孟加拉國達(dá)卡市東部地區(qū)，受納水體為Segunbagicha河道，受納水體洪水位為7.09 m(絕對標(biāo)高)，汛期最高、最低及正常水位分別為6.22、4.0和4.5 m，如圖1所示。泵站設(shè)置3臺軸流泵(預(yù)留1臺備用泵位)，單泵設(shè)計(jì)流量5 m3/s，進(jìn)水采用明渠進(jìn)水，長度約70 m，進(jìn)口處設(shè)自動除污格柵；出水消能池1座，4根DN1 500 mm出水鋼管。

2 物理模型與數(shù)值模擬

2.1 物理模型

泵站模型的整體布置在試驗(yàn)場按原地形制作，主要包括原河道、引渠、泵房等。根據(jù)泵站參數(shù)及任務(wù)的特點(diǎn)，采用正態(tài)整體模型，實(shí)際模型設(shè)計(jì)采用幾何比尺為Lp/Lm=λL=6，模型按弗勞德準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型雷諾數(shù)及模型韋伯?dāng)?shù)經(jīng)計(jì)算分別為4.2×105和9.714×103，模型尺寸300 mm，最小水深超過150 mm，泵吸入口直徑>80 mm，符合國外標(biāo)準(zhǔn)[6]《水泵進(jìn)水設(shè)計(jì)》第9.8.5.3條要求。模型采用斷面法制作地形，泵室部分采用有透明機(jī)玻璃制作，河床采用混凝土砂漿硬化，砂漿厚度達(dá)到4 cm。邊墻采用500 mm×240 mm磚墻砌筑，內(nèi)外墻面使用混凝土砂漿粉面。

圖1 Kamalapur雨水泵站布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of Kamalapur rainwater pumping station

2.2 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域包括引水渠和前池容納水體，限于篇幅，以正常水位單泵運(yùn)行工況為例，網(wǎng)格數(shù)110萬左右，如圖2(a)、2(b)所示。CFD分析軟件采用Fluent，壓力和速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力、速度、湍動能均采用二階迎風(fēng)格式離散計(jì)算[7]。前池計(jì)算區(qū)域及分析斷面如圖2(c)所示，其中X表示橫斷面，Y表示縱剖面，Z表示水平剖面，取前池進(jìn)口底部為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，分析選用前池進(jìn)口橫斷面X=500 mm，縱剖面Y=200 mm、Y=500 mm，水平剖面Z=2 000 mm、Z=3 000 mm。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域及分析斷面(單位：mm)Fig.2 Computational grids and cross-section for analysis

2.3 控制方程

泵站前池水流屬復(fù)雜的三維紊流流態(tài)，假定在定常、不可壓流動條件下，采用雷諾時(shí)均(N-S)方程模擬水流，并利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程使方程組封閉[8,9]。方程組如下：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

2.4 邊界條件

(1)進(jìn)口邊界。假定k和ε均勻，以流速分布為進(jìn)口邊界條件，k=0.003 75u2in、ε=k1.5(0.4H0)，其中uin為進(jìn)口平均流速；H0為水深。

(3)考慮到前池水面隨時(shí)間變化不大，自由水面采用剛蓋假定。

(4)壁面條件計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過CFD數(shù)值模擬，得到了引水渠和前池流場分布情況，分別分析如下。

3.1 引水渠水力特性分析

從圖3(a)可知，整個(gè)引水渠的表面最大流速0.134 m/s，流速比較緩慢。引水渠進(jìn)水口表面由于斷面的擴(kuò)大，存在回流區(qū)域，從圖3(b)可以看出，回流高度27.14 cm，約占進(jìn)口高度的1/2。通過模型試驗(yàn)，如圖3(c)所示，進(jìn)口段受主河道邊界條件影響愈加凸顯，流態(tài)愈不平穩(wěn)，回流高度約為26 cm，主流偏右更加明顯，右岸翼墻處繞流漩渦深度約20 cm。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，但引水渠進(jìn)口漩渦較明顯，流態(tài)不穩(wěn)定。

圖3 引水渠表面流速和流態(tài)分布圖Fig.3 Velocity and flow regime distribution graph of approach channel surface

3.2 前池水力特性分析

從圖4(a)可知，單泵運(yùn)行時(shí)在前池閘門前存在一個(gè)漩渦區(qū)域，在高度上約占前池進(jìn)口高度的1/3。由圖4(c)和圖5(a)(Z=2 000)可知，在前池表面存在2個(gè)表面漩渦，但2個(gè)漩渦并不是完全對稱的，一個(gè)尺寸較大，另外一個(gè)尺寸較小，原因可能是前池閘門進(jìn)水時(shí)的流態(tài)分布不均造成的。隨著水深的增加，此漩渦逐漸消失，在喇叭口附近水流近似于垂直向池底流動，如圖5(b)(Z=3 000)所示，所以該漩渦不會對喇叭口附近的流態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。模擬計(jì)算時(shí)，參考壓力的位置選擇在前池進(jìn)口水面處，參考壓力值為101 325 Pa。從圖5(c)、5(d)知，漩渦中心的壓力明顯高于汽化壓力，說明流速小，漩渦強(qiáng)度很小，不會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

圖4 前池流態(tài)分布圖Fig.4 Flow regime distribution graph of the forebay

圖5 前池喇叭口不同水平剖面流態(tài)和壓力分布圖(壓力單位：Pa)Fig.5 Flow regime and pressure distribution graph of different horizontal section of forebay bell mouth

由圖6(a)～6(c)可知，前池喇叭口附近左右側(cè)附壁各有一個(gè)漩渦沿喇叭口是對稱的，但在靠近導(dǎo)流墻附近此漩渦變小，逐漸消失，由圖6(d)可知漩渦中心的絕對壓力高于汽化壓力，說明漩渦強(qiáng)度很小，流速也很小，不會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。由圖6(e)、圖6(f)可知，在導(dǎo)流墻后部壁面處存在一個(gè)漩渦，但是此漩渦緊貼在壁面附近，尺寸較小，對喇叭口附近的流動影響較小。

從以上分析可知，在前池喇叭口附近壁面處存在著5個(gè)漩渦，表面漩渦最大，側(cè)附壁漩渦次之，后附壁漩渦最小，但這些漩渦在喇叭口附近均消失，所以不會對水泵裝置性能產(chǎn)生影響。

圖6 前池喇叭口左右側(cè)壁及后側(cè)壁流態(tài)分布圖(壓力單位：Pa)Fig.6 Flow regime distribution graph of lateral wall and posterior wall of forebay bell mouth

4 結(jié) 語

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，Kamalapur雨水泵站正常運(yùn)行情況下，整個(gè)引水渠和前池內(nèi)流態(tài)分布較好，前池段的吸水管后泵室水面未出現(xiàn)明顯有害漩渦，不會對水泵裝置的運(yùn)行性能產(chǎn)生明顯的影響，喇叭口在徑向、垂向進(jìn)流狀況基本均衡，滿足設(shè)計(jì)要求。

□

[1] 張景成,張立秋. 水泵與水泵站[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2] 焦建廷. 灰埠泵站前池和進(jìn)水池流態(tài)的數(shù)值模擬[J].中國農(nóng)村水利水電,2007,(8):123-125.

[3] 高傳昌,劉新陽,石禮文,等. 泵站前池與進(jìn)水池整流方案數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2011,30(2):54-59.

[4] Rejowski Jr R, Pinto J M. A novel continuous time representation for the scheduling of pipeline systems with pumping yield rate constraints[J]. Computers and Chemical Engineering 2008,32(4/5):1 042-1 066.

[5] Spence R, Amaral-Teixeira J. Investigation into pressure pulsations in a centrifugal pump using numerical methods supported by industrial tests[J]. Computers & Fluids，2008,37:690-704.

[6] ANSI/HI 9.8-1998，American National Standards Institute.Pump Intake Design[S].

[7] 王福軍. 計(jì)算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[8] 李 禮,張根廣,華維娜,等. 南迪普火電廠循環(huán)水泵站進(jìn)水流槽水流特性三維數(shù)值模擬[J].中國農(nóng)村水利水電,2011,(1):160-163.

[9] 盧春暉,張永麗,唐劍韜. 泵站前池水力性能的數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械,2012,40(7):20-23.