張亞莉，宋世露，陳 勇，劉 霞，符向前

(1.甘肅省水利廳水利管理局，蘭州 730000；2.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430000；3.肇慶市景豐聯(lián)圍管理局，廣東 肇慶 526000；4.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430000)

在泵站工程的進(jìn)水建筑物中，前池、進(jìn)水池是十分重要的組成部分。前池設(shè)置于引渠和進(jìn)水池之間，它的作用是將引渠和進(jìn)水池合理地銜接起來，使水流平穩(wěn)且均勻地流入進(jìn)水池，為進(jìn)水池提供良好的流態(tài)[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泵站進(jìn)水結(jié)構(gòu)做了大量的研究，但對(duì)前池的研究則較為少見，尤其是對(duì)側(cè)向進(jìn)水前池的研究甚少。前池內(nèi)的不良流態(tài)將引起池內(nèi)泥沙淤積，引發(fā)水泵機(jī)組的振動(dòng)、氣蝕并降低水泵的效率[2]。

文中針對(duì)泵站側(cè)向進(jìn)水前池的進(jìn)水流態(tài)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)前池尺寸、隔墩[3]對(duì)前池流態(tài)的影響進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)比較不同隔墩形態(tài)對(duì)前池整流效果的影響，為改善側(cè)向擴(kuò)散前池流態(tài)提供一定參考。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文中的泵站前池及進(jìn)水池直接與大氣相通，可視為不可壓黏性流體的湍流流動(dòng)進(jìn)行三維模擬。選擇Realizablek-ε湍流模型模擬該流動(dòng)。前池內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)寫成張量形式，用連續(xù)性方程和動(dòng)量方程來描述。

連續(xù)性方程和動(dòng)量方程：

(2)

式中：ui,uj(i=1,2,3;j=1,2,3)為流體的速度分量；ρ為流體的密度；P為壓強(qiáng)；μ為流體的動(dòng)力黏性系數(shù)；fi單位質(zhì)量的摩擦阻力。

1.2 模型布置

某泵站屬于側(cè)向進(jìn)水泵站。泵站總裝機(jī)臺(tái)數(shù)3臺(tái)，3臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行。泵站總設(shè)計(jì)流量6.6 m3/s，單泵設(shè)計(jì)流量為2.2 m3/s。泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位為6.5 m，最高水位7.0 m，最低水位6.0 m，停機(jī)水位5.8 m。

從取水管道到前池、進(jìn)水池部分按照比例全部模擬，見圖1。每臺(tái)泵后接一管道，每條管道各安裝一個(gè)電磁流量計(jì)和流量調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)流量。管道連接到貯水池中，形成一個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)。水泵為臥式離心泵，安裝在地面上，試驗(yàn)時(shí)先用一小泵將吸水管抽真空，待吸水管內(nèi)充滿水即可開機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

1-貯水池；2-引水管道；3-進(jìn)水前池；4-進(jìn)水池 ；5-循環(huán)管道；6-電磁流量計(jì)；7-流量調(diào)節(jié)閥圖1 模型布置圖

1.3 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格

本文的主要研究對(duì)象為泵站前池與進(jìn)水池，因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分。原方案網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分

通過網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，將網(wǎng)格劃分從90萬(wàn)到150萬(wàn)進(jìn)行試算，之間結(jié)果相差不超過1%。最終網(wǎng)格總數(shù)在取100萬(wàn)左右，隨著前池寬度和長(zhǎng)度的變化，渦流防止裝置的布置，以及水位的變化而略有不同。

1.4 邊界條件

進(jìn)口位置取在進(jìn)水前池上游的半徑為300 mm的取水管道入口位置，采用速度進(jìn)口條件。出口位置取在泵吸水管的入口斷面處。本文中，因未知出口斷面的速度和壓力，并假設(shè)出口處流動(dòng)已完全發(fā)展，故在出口位置延長(zhǎng)直徑100 mm，長(zhǎng)1 m的管道。此時(shí)，可認(rèn)定出口邊界對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響較小，速度梯度為0。出口邊界條件設(shè)置為自由出流。固壁表面符合無(wú)滑移壁面條件，設(shè)為無(wú)滑移邊界條件(x，y，z方向上的速度分量均為0)。假設(shè)前池及進(jìn)水池流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，即水體自由表面保持不變，自由表面上邊界條件指定為對(duì)稱面邊界條件，符合靜水壓力假定，沒有變量穿越該表面。

2 方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

泵站進(jìn)水前池未經(jīng)處理，開啟1～3號(hào)水泵，水位為最高水位7.0 m時(shí)，0.6H截面處的流速分布圖，見圖3。

圖3 水位7.0 m，開啟1～3號(hào)水泵，0.6H截面流速分布圖

2.1 方案設(shè)計(jì)

改善前池流態(tài)的方法[4]可以分為2大類。一類是改進(jìn)前池的尺寸，一類是在前池尺寸確定的情況下增加改善流態(tài)的措施[5]。為了全面的研究這兩類情況對(duì)前池流態(tài)的影響，共設(shè)置6個(gè)方案，見表1。方案1～4主要改變前池的尺寸，方案5設(shè)置隔墩，方案6調(diào)整隔墩為翼型，觀察以下情況下該泵站的流速分布圖。

表1 各方案對(duì)前池流態(tài)的影響

2.2 方案效果分析

比較圖4(a)～4(d)，可得出在加寬、減寬、加長(zhǎng)、減短前池的情況下，從截面流速分布圖4中可以看出，前池內(nèi)依然出現(xiàn)明顯的大回流漩渦。1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組進(jìn)水池進(jìn)口的水流出現(xiàn)明顯的偏流，只有3號(hào)機(jī)組水流是平行、均勻地進(jìn)入前池的。

比較圖4(e)、4(f)，可以看出，增設(shè)隔墩之后1號(hào)、2號(hào)機(jī)組進(jìn)水池進(jìn)口的水流發(fā)生了變化，方案5中在與引水管道出口相連的泵站前池設(shè)置兩個(gè)隔墩。隔墩寬0.5 m，兩隔墩與原隔墩成60°角，以期望達(dá)到分流及導(dǎo)流的作用。隔墩端部與原隔墩對(duì)齊，布置圖如圖5。但是1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組進(jìn)水池進(jìn)口的水流出現(xiàn)明顯的偏流，只有3號(hào)機(jī)組水流是平行、均勻、無(wú)渦地進(jìn)入進(jìn)水池的。方案5比原方案在前池流態(tài)上改善不大。圖4(f)中，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組進(jìn)水口水流流態(tài)發(fā)生了明顯變化，流態(tài)基本平穩(wěn)無(wú)渦，起到了明顯的調(diào)節(jié)作用，方案6方法有效。

圖4 各方案在水位7.0 m，開啟1～3號(hào)水泵，0.6H截面流速分布圖

圖5 方案5隔墩布置圖

繞孤立翼流動(dòng)是改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的有效措施之一[6,7]。根據(jù)方案5的試驗(yàn)結(jié)果分析，以及翼型原理，設(shè)計(jì)了方案6。設(shè)計(jì)兩個(gè)翼型，具體形狀及布置見圖6。兩翼型隔墩將來流均分為3等份。

圖6 方案6翼型隔墩布置圖

方案6實(shí)現(xiàn)了改善側(cè)向進(jìn)水前池水流流態(tài)，因此在方案6的基礎(chǔ)上，調(diào)整隔墩尺寸，以期達(dá)到更好的調(diào)節(jié)作用。調(diào)整后速度分布圖如圖7所示。

圖7 調(diào)整翼型隔墩尺寸后速度分布圖

3 結(jié) 語(yǔ)

基于CFD技術(shù)，分析了湍流模型對(duì)泵站的前池內(nèi)流體流態(tài)的適用性，并繪制相關(guān)模型，分析了不同方案下對(duì)前池流態(tài)的影響。得出了以下結(jié)論。

(1)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型，Realizablek-ε模型能夠更加精確的對(duì)某泵站前池流態(tài)模擬。

(2)引水管道、進(jìn)水前池與進(jìn)水池三者的流態(tài)息息相關(guān)，不良的引水管道形式會(huì)對(duì)前池流態(tài)產(chǎn)生不良影響，進(jìn)而影響泵站水力穩(wěn)定性。因此，要改善進(jìn)水流道的流態(tài)，就必須針對(duì)引水管道出口水流分布的特點(diǎn)，設(shè)置一定的導(dǎo)流整流措施改善前池流態(tài)，使進(jìn)水前池及進(jìn)水流道的水流均勻、順直、平穩(wěn)、無(wú)渦。

(3)對(duì)于某泵站來說，前池寬度對(duì)流態(tài)影響不大；在地形地勢(shì)及經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，加長(zhǎng)前池的確能夠獲得更平穩(wěn)的流態(tài)。

(4)針對(duì)某泵站引水管道不良形態(tài)來流，采用翼型隔墩的整流的方式是可行的。翼型隔墩的長(zhǎng)短、形狀、位置應(yīng)根據(jù)來流形態(tài)，漩渦位置等綜合考慮，并不斷嘗試以最終獲得良好的整流效果。

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[1] 劉 超，水泵及水泵站[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2009．

[2] 張賢明，吉慶豐．泵站前池流態(tài)的數(shù)值模擬[J]．灌溉排水，2001,20(1):35-38.

[3] 周龍才．泵站前池隔墩整流的數(shù)值分析[J]．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010,27(2):31-33.

[4] 高傳昌，劉新陽(yáng)，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.

[5] 成 立，劉 超，周濟(jì)人，等.泵站側(cè)向進(jìn)水流態(tài)及其改善措施機(jī)理探討[J].排灌機(jī)械，2001,19(1):31-34.

[6] 谷傳綱，陳 西，苗永淼.不可壓縮實(shí)際黏性流體繞流孤立翼型的數(shù)值研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)，1988,6(2):190-196.

[7] 關(guān) 鍵，郭 正.繞翼型低雷諾數(shù)流動(dòng)的數(shù)值仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程，1988，13(24):7 275-7 281.