王夢(mèng)成，劉玉平，徐付祥，陳松山

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2. 鎮(zhèn)江市諫壁抽水站管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

我國(guó)大部分地區(qū)均存在降雨的時(shí)空不均衡性，因此灌溉與排澇的雙重任務(wù)顯得尤為突出。而閘站結(jié)合雙向流道泵站不僅具有“一站四閘”的功能，又能降低工程造價(jià)，且具有較高的水泵裝置效率，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，在沿江和太湖流域等得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大型雙向流道泵站提排、提灌的特性研究較多[1，2]，研究提出一些高效的雙向流道裝置形式[3，4 ]，但涉及雙向流道泵站自排、自引過流特性的研究較少，已制約了雙向流道泵站的多功能綜合效益發(fā)揮。隨著近現(xiàn)代流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，以及計(jì)算流體力學(xué)軟件開發(fā)與應(yīng)用，湍流數(shù)值模擬已成為解決工程問題的重要手段。研究將基于三維湍流數(shù)值模以典型的雙向流道泵站-諫壁泵站[5]為研究對(duì)象，探討雙向流道泵站自引自排的過流特性和流道內(nèi)流速分布特性，旨在提出一些閘門優(yōu)化運(yùn)行方案。

1 工程概況

諫壁抽水站地處鎮(zhèn)江市東郊，是一座典型的大型雙向流道泵站，它擔(dān)負(fù)著太湖流域排澇、抗旱、河道沖淤和保證通航等多重任務(wù)。泵站安裝2800ZLQ-27-3立式軸流泵6臺(tái)，配套1800kW的TL1800-40/3300同步電機(jī)，設(shè)計(jì)流量162 m3/s。諫壁泵站采用閘站結(jié)合的“X型”雙向進(jìn)出水流道實(shí)現(xiàn)灌排結(jié)合，泵站設(shè)有36扇液壓快速閘門斷流，其中出水流道12扇，進(jìn)水流道24扇，通過調(diào)控進(jìn)出流道的液壓快速閘門，可實(shí)現(xiàn)太湖湖西地區(qū)的內(nèi)澇水經(jīng)過運(yùn)河提排或自排入長(zhǎng)江，也可提灌或自引長(zhǎng)江進(jìn)入太湖湖西地區(qū)，諫壁泵站的剖面圖見圖1。自1978年建成以來(lái)，泵站主要是通過提排、提灌解決太湖湖西片的排澇灌溉需求。近年來(lái)，也開始嘗試泵站的自排自引功能，但有關(guān)不同上下游水位差、不同引水排水流量下的閘門合理開啟模式還處于摸索階段，亟待從理論上予以探討。

圖1 泵站剖面圖Fig.1 Pump station profile

2 自排自引數(shù)值模擬模型

2.1 控制方程

泵站雙向流道內(nèi)的水體具有連續(xù)性和不可壓縮流體[6]，其時(shí)均化的動(dòng)量方程(RANS)與連續(xù)性方程可表達(dá)為：

(1)

(2)

式中：ui表示平均流速；p表示平均壓力；μ表示分子黏性系數(shù)；μt表示渦黏性系數(shù)，可用渦團(tuán)黏性假設(shè)表示；Cμ為系數(shù)，取0.09。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程：

(3)

(4)

2.2 邊界條件[7]

自引自排工況下，因只開啟下層進(jìn)水流道閘門，而水泵不運(yùn)行、出水流道閘門關(guān)閉，因此，可假設(shè)水泵段及出水流道區(qū)域?yàn)樗浪畢^(qū)。數(shù)值計(jì)算只需模擬雙向進(jìn)水流道的過流特性即可。雙向進(jìn)水流道的邊界條件包括：進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件以及固壁面邊界條件。

(1)進(jìn)口邊界。進(jìn)口邊界設(shè)在進(jìn)水池處，并假定來(lái)流為充分發(fā)展湍流，進(jìn)口斷面流速分布均勻且垂直進(jìn)口斷面。

(2)出口邊界。出口邊界設(shè)在出水池，考慮出口可能存在回流，在CFX前處理中出口邊界設(shè)置為Open Pressure and Direction，即：給定壓力值，并假設(shè)壓力方向垂直于出口斷面。

(3)固壁面邊界。假設(shè)壁面無(wú)滑移；對(duì)于近壁面區(qū)，當(dāng)y+>11.06時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，而當(dāng)y+<11.06時(shí)，則將y+=11.06直接代入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)中。在CFX前處理中即為Scalable壁面函數(shù)。

2.3 三維造型與網(wǎng)格剖分

鑒于諫壁泵站原型雙向進(jìn)水流道尺寸較大，為了確保模擬的準(zhǔn)確性，特別是滿足近壁面函數(shù)條件，所需網(wǎng)格數(shù)量過于巨大。為此，可據(jù)相似理論將原型按照幾何比尺19.33縮小至模型進(jìn)行精確模擬和深入研究。由諫壁泵站雙向進(jìn)水流道的幾何形狀與尺寸，使用Pro/E造型軟件進(jìn)行三維實(shí)體造型，并將其導(dǎo)入GAMBIT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8]，如圖2、圖3所示。為避免網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)計(jì)算模型劃分了9種不同網(wǎng)格數(shù)量方案進(jìn)行比較，圖4為不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算結(jié)果。分析表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于360萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果的波動(dòng)范圍在1%～3%之間[9]，考慮到網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于計(jì)算資源的占用和耗時(shí)的影響，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為360萬(wàn)。

圖2 進(jìn)水流道造型Fig.2 Inlet channel model

圖3 進(jìn)水流道網(wǎng)格剖分Fig.3 Inlet channel mesh

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢測(cè)Fig.4 Mesh independent detection

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 單側(cè)閘門不同開度下過流特性

如圖1所示，單側(cè)閘門不同開度下過流特性是假設(shè)從長(zhǎng)江引水至太湖，若保持長(zhǎng)江側(cè)閘門2全開，而運(yùn)河側(cè)閘門1部分開啟的引水特性。數(shù)值模擬中，選取了的運(yùn)河側(cè)閘門相對(duì)開度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五種工況。分別計(jì)算每一閘門開度在不同流量下的對(duì)應(yīng)水位差。不同相對(duì)開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 長(zhǎng)江側(cè)閘門全開時(shí)的流量與水位差曲線Fig.5 The flow and water level difference curve of Changjiang river side gate fully open

工程實(shí)際中，水位差由上、下游水位傳感器測(cè)得，對(duì)于既定的水位差和需水流量，可根據(jù)圖5的數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定合理閘門開度。首先根據(jù)上下游水位差在圖5的縱坐標(biāo)上找到該水位差點(diǎn)，過該點(diǎn)作水平線，與不同開度的流量壓差曲線相交，每一交點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)流量和相對(duì)開度，以相對(duì)開度為橫坐標(biāo)，流量為縱坐標(biāo)，繪制出流量與開度曲線。由流量與開度曲線可查得不同需水流量對(duì)應(yīng)的相對(duì)開度。

圖6為水位差200 mm時(shí)的閘門相對(duì)開度和流量關(guān)系曲線。若需水流量為22.42 m3/s，由圖6可快速查得閘門相對(duì)開度為0.505，即閘門總高度的50.5%。對(duì)于其他不同水位差和需水流量下的閘門相對(duì)開度的確定和上述方法類似。

圖6 進(jìn)水側(cè)閘門全開時(shí)出水側(cè)閘門相對(duì)開度流量曲線Fig.6 The relative outlet side gateopeningdegree of the flow curve while the inlet side gate is fully open

3.2 組合開度下流道的過流特性

諫壁泵站雙向進(jìn)水流道設(shè)有4扇閘門，自引自排時(shí)的閘門開啟存在多組合。因此，還需探討雙側(cè)閘門部分開啟組合的過流特性。為保證引水(排水)的對(duì)稱性，進(jìn)水流道一側(cè)的兩扇閘門開度應(yīng)相同。現(xiàn)仍以上下游水位差200 mm、引水流量22.42 m3/s工況為例分析。根據(jù)上小節(jié)的分析結(jié)果，運(yùn)河側(cè)閘門相對(duì)開度應(yīng)大于50.5%，設(shè)計(jì)長(zhǎng)江側(cè)閘門相對(duì)開度為0.8和0.6的兩個(gè)方案以及一個(gè)運(yùn)河側(cè)全開的方案進(jìn)行對(duì)比。

(1)如圖1所示，保持長(zhǎng)江側(cè)閘門2的相對(duì)開度為0.8，調(diào)節(jié)閘門1的相對(duì)開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分別計(jì)算每一閘門開度在不同流量下對(duì)應(yīng)的水位差。不同相對(duì)開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 進(jìn)水側(cè)閘門相對(duì)開度為0.8時(shí)的流量水位差曲線Fig.7 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.8

根據(jù)文中3.1節(jié)處理方法，可繪制出水位差200 mm時(shí)閘門相對(duì)開度與流量之間的關(guān)系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)河側(cè)閘門相對(duì)開度為0.528。

(2)保持長(zhǎng)江側(cè)閘門2的相對(duì)開度為0.6，調(diào)節(jié)閘門1的相對(duì)開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8，分別計(jì)算每一閘門開度在不同流量下對(duì)應(yīng)的水位差。不同相對(duì)開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖8所示。繪制出水位差200 mm時(shí)閘門開度與流量之間的關(guān)系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)的閘門開度為0.605。

圖8 進(jìn)水側(cè)閘門相對(duì)開度為0.6時(shí)的流量水位差曲線Fig.8 The flow and water level difference curve while the inlet side gate relative opening degree is 0.6

(3)保持運(yùn)河側(cè)閘門1全開，調(diào)節(jié)長(zhǎng)江側(cè)閘門2的相對(duì)開度使其分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，分別計(jì)算每一閘門開度在不同流量下對(duì)應(yīng)的水位差。不同相對(duì)開度下的流量與水位差關(guān)系曲線，如圖9所示。繪制出水位差200 mm時(shí)閘門開度與流量之間的關(guān)系曲線，通過查圖可得流量為22.42 m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)江側(cè)閘門相對(duì)開度為0.52。

圖9 運(yùn)河側(cè)閘門全開時(shí)的流量水位差曲線Fig.9 The flow and water level difference curve of canalriver side gate fully open

3.3 不同閘門開啟方案的流道內(nèi)流特性

圖10 雙向流道內(nèi)部速度等值線Fig.10 Internal velocity contour of two way flow passage

單側(cè)開啟閘門和雙側(cè)組合開啟閘門，當(dāng)上下游水位差為200 mm時(shí)，均能滿足引水22.42 m3/s的要求。為了比選最優(yōu)開啟方式，分別數(shù)值模擬4個(gè)可行方案的內(nèi)部流動(dòng)，如圖10所示。研究表明，不同方案的流道內(nèi)部流動(dòng)差異明顯。當(dāng)長(zhǎng)江側(cè)閘門全開，運(yùn)河側(cè)閘門部分開啟時(shí)流道內(nèi)進(jìn)水側(cè)的流速分布最為均勻；隨著長(zhǎng)江側(cè)閘門開度的減小與運(yùn)河側(cè)閘門開度的增大，流道內(nèi)部進(jìn)水側(cè)的湍動(dòng)增加、流速分布不均而出水一側(cè)的流態(tài)相對(duì)較好，但由工程實(shí)際可知在整個(gè)流道中進(jìn)水側(cè)的流態(tài)對(duì)于機(jī)組的影響相較于出水側(cè)的流態(tài)來(lái)說更為明顯。由此可見，當(dāng)進(jìn)水側(cè)閘門開度越大，在相同條件下通過相同的流量時(shí)，流道內(nèi)部進(jìn)水側(cè)流場(chǎng)的流速分布越均勻，方案也越優(yōu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程和時(shí)均N-S方程對(duì)諫壁泵站雙向進(jìn)水流道不同閘門組合開度進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了不同水位差下流量與閘門開度的關(guān)系及不同閘門開度組合下的流道內(nèi)部的流場(chǎng)，通過分析得到了如下結(jié)論：

(1)引水(排水)時(shí)，保持進(jìn)水一側(cè)的閘門全開，控制出水側(cè)閘門開度來(lái)調(diào)節(jié)流量是合理方案。

(2)對(duì)既定的上下游水位差，根據(jù)需水流量，利用數(shù)值模擬得出的開度流量關(guān)系線，實(shí)現(xiàn)閘門開度的精確控制，對(duì)雙向流道自引(自排)合理運(yùn)行具有指導(dǎo)價(jià)值。

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