馮建剛,錢向棟,張 睿

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

城市輸水泵站受城市土地限制和周圍建筑物的影響,往往很難按水力條件良好的要求布置,前池易出現(xiàn)漩渦、回流等不良流態(tài),水泵進水條件惡化,影響泵站的安全可靠運行[1],因此對此類泵站的前池流態(tài)進行研究十分必要。近年來隨著計算流體力學和計算機技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬被越來越多的學者所認可,成為實際工程中研究水體流動特性的重要手段之一[2-6]。田艷等[7]采用RNGk-ε湍流模型對城市排水泵站進行全流場模擬,揭示了城市排水泵站前池內(nèi)存在的復雜水流流態(tài)。對于這類布置較為局促的城市輸水泵站,為改善前池流態(tài),學者們對整流措施進行了探究。魯俊[8]對泵站前池水力特性進行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)其結(jié)果與試驗值相符,并提出了整流工程措施。馮建剛等[9]在上海市長江引水三期工程水源泵站的整體水力模型試驗中,對底坎和八字形導流墩措施進行了比較分析。黃繼宏等[10]通過分析不同導流墩參數(shù)對泵站前池水流流態(tài)的影響,明確了優(yōu)化導流墩布置的相關(guān)參數(shù)。羅燦等[11]對泵站正向進水前池底坎的整流機理進行了數(shù)值模擬。然而，已有研究主要集中于單類整流措施尺寸參數(shù)對前池流態(tài)的影響,對組合式整流措施應用于城市輸水泵站的研究尚不多見。本文結(jié)合某底部涵管進水形式的城市輸水泵站,擬組合導流墩和底坎,探究出適用于此類泵站的整流措施。通過對泵站前池流態(tài)進行數(shù)值模擬研究,分析前池存在的不良流態(tài)及其成因,在對比分析的基礎(chǔ)上提出改善前池流態(tài)的工程措施,并對數(shù)值模擬結(jié)果進行試驗驗證。

1 泵站模型的建立

1.1 泵站進水建筑物概況

泵站前池及進水池結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。該泵站由進水涵管引水進入前池。前池呈平面擴散形,擴散角為20°,池底高程為-10.00 m。泵站設(shè)有3臺立式斜流泵機組,編號分別為1號、2號、3號,單泵設(shè)計流量為6.21 m3/s。每臺水泵均單獨設(shè)進水池,以隔墩分隔,池底與前池等高。

圖1 前池及進水池結(jié)構(gòu)形式(單位:m)

1.2 數(shù)值模型建立

泵站前池流態(tài)處于復雜的紊流狀態(tài),雷諾數(shù)通常大于104,為不可壓流動。采用RNGk-ε模型和SIMPLE算法求解流速場分布。應用雷諾時均方程,得到定常流動在笛卡兒坐標系下三維不可壓縮流體的連續(xù)性方程和動量方程[12]:

(1)

(2)

式中：ui、uj(i、j=1,2,3)分別為x、y、z方向的速度分量;xi、xj(i、j=1,2,3)分別為空間坐標x、y、z;gi為沿i方向的質(zhì)量力;ρ為流體密度;p為流體微元體上的壓力;ν為水的運動黏性系數(shù);νt為紊動黏性系數(shù)。

在笛卡兒坐標系下,采用Pro/E建立實體模型,利用ANSYS ICEM進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分,網(wǎng)格數(shù)400萬左右。

進口邊界設(shè)置為總壓,出口邊界采用質(zhì)量流條件。由于前池內(nèi)水面波動不大,故自由水面采用剛蓋假定。壁面采用無滑移邊界條件,當采用基于渦黏假設(shè)的湍流模型來封閉雷諾平均N-S(RANS)方程時,需要對近壁面流動采用特殊的處理方式。與傳統(tǒng)的標準壁面函數(shù)相比,可伸縮壁面函數(shù)對Y+(第1層網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無量綱距離)的要求并不十分嚴格,故計算過程中采用可伸縮壁面函數(shù),將壁面處的物理量與湍流核心區(qū)相應物理量聯(lián)系起來。

1.3 物理模型設(shè)計

物理模型按重力相似準則設(shè)計,綜合考慮模型水流在阻力平方區(qū)的要求以及模型泵的選擇,確定模型線性比尺λl=10。試驗系統(tǒng)采用自循環(huán)開敞式,由取水管、前池、進水池、模型泵機組、出水管路、回水渠、控制及量測系統(tǒng)等組成。在前池、進水池典型斷面位置布置量測水位的測壓管,測壓管連接測針桶,用水位測針讀數(shù),水面讀數(shù)誤差為±0.1 mm;在每臺水泵出水管上安裝超聲波流量計量測水泵流量,流量計精度為0.5級,量測相對誤差為±0.5%,同時每臺泵分別設(shè)置量水堰槽對單泵流量進行比測,在回水渠設(shè)置量水堰量測泵站總流量;流速采用多普勒三維剖面點式流速儀(ADV)量測,ADV的精度為±1.0%,流速的相對誤差為±1.0%,將進水池進口斷面A作為一典型過流斷面,進行流速分布的量測。流速分布量測點的布置見圖2,其中水平方向上布置9條施測垂線,垂線方向上從池底到水面分5層布置。

圖2 流速測點布置示意圖(單位:mm)

2 泵站前池流態(tài)數(shù)值模擬

2.1 前池典型截面的選取

平面上,選取泵喇叭口入口截面(對應高程-8.90 m)作為典型截面;立面上,選取3號泵管直徑所在截面作為典型截面。典型截面示意圖見圖3。

圖3 前池典型截面示意圖

2.2 前池進水流態(tài)分析

結(jié)合輸水泵站運行特點,將設(shè)計高水位的運行工況作為研究對象。該工況為3泵全開,前池水位為1.70 m。以典型截面的速度矢量圖反映無整流措施時的前池流態(tài)，如圖4所示。

圖4 無整流措施時的前池流態(tài)

根據(jù)模擬結(jié)果,在平面上,主流居于中間,前池兩側(cè)產(chǎn)生脫壁回流且回流區(qū)的大小與擴散段長度幾乎相等;進水池流量分配不均,兩側(cè)進水池進流較少。在立面上,前池表面有大尺度的回流現(xiàn)象,進水池底部流速很大,同時中上層有多個漩渦存在。造成前池不良流態(tài)的主要原因是有壓涵管進水,主流集中且貼于前池底部,流速較大,雖然該泵站前池擴散角較小,擴散段較長,水流在前池仍得不到充分的調(diào)整。

3 泵站前池流態(tài)整流措施

3.1 八字形導流墩整流措施

3.1.1 布置形式

導流墩通過其導流作用,減小前池平面擴散角,均化水流,能夠有效消除脫壁回流、偏流等不良流態(tài)。該泵站進水居中,前池兩側(cè)存在大尺度回流,進水池流量分配不均,故導流墩整流措施需在能有效調(diào)整流量分配的同時消除回流現(xiàn)象。這里參照馮建剛等[13]的研究成果,將八字形導流墩布置在涵管出口處,墩頭與出口距離D=2 m,墩長L=8 m,兩墩的夾角α=24°,后墩頭正對第2排結(jié)構(gòu)柱的中心,墩子高度與第2層橫梁底部平齊，如圖5所示。

圖5 八字形導流墩整流措施布置形式(單位：m)

3.1.2 前池進水流態(tài)分析

從圖6可知,采用八字形導流墩整流措施后,涵管出口密集居中的主流受導流墩作用,向兩邊分流,并在擴散段不斷地向兩側(cè)擴散,前池兩側(cè)有了來流的補充,使得回流區(qū)近乎消失,回流現(xiàn)象得到明顯抑制;經(jīng)過較長的擴散段擴散后,流量分配得到了一定程度的調(diào)整,3個進水池流量大致相同,但各進水池流速分布均勻性較差,主要表現(xiàn)為各流道均存在偏流現(xiàn)象。在立面上,流態(tài)沒有得到明顯的改善,前池表層大尺度回流仍存在,進水池底部流速仍較大。

圖6 采用八字形導流墩整流措施后的前池流態(tài)

圖7 所選斷面和各截面示意圖(單位：m)

圖8 采用八字形導流墩整流措施整流前后各進水流道所選斷面軸向速度云圖

3.1.3 泵進水條件分析

在泵進水管前取一斷面,如圖7(a)所示,斷面與泵管軸心在x方向的距離為3 m,分析該斷面軸向速度云圖,直觀地比較泵進水狀況的優(yōu)劣;同時,在該斷面上取3個等高同寬的截面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,如圖7(b)所示,截面的高度為1.8 m,所在區(qū)域正對泵喇叭口進水區(qū)域,分別計算各個截面的法向流速分布均勻度Vnu，計算公式[14]為

圖8是前池水位為1.70 m時整流前后各進水流道所選斷面軸向速度云圖。整流前,由于主流居中偏下,泵進水的最大流速值出現(xiàn)在中間機組,相對而言,兩邊機組進水流速要小得多;采用八字形導流墩整流措施后,中間機組進水流速明顯變小,3臺泵進水平均流速大致相等。但各進水流道進水流速分布不均,偏于某一邊。比較表1中整流前后各截面法向流速分布均勻度,發(fā)現(xiàn)采用八字形導流墩整流措施后,3個截面的法向流速分布均勻度均下降了20%左右,可見泵喇叭口進水流速分布均勻性較整流前變差。

表1 八字形導流墩方案整流前后各截面法向流速分布均勻度

3.2 組合式整流措施

3.2.1 布置形式

在有壓涵管出口布置八字形導流墩,能有效地將密集的主流向前池兩側(cè)分流,消除回流區(qū),且3個進水池流量分配大致相同,但每個進水流道均存在偏流現(xiàn)象,泵喇叭口進水流速分布均勻性變差。單一的八字形導流墩措施并不能有效解決城市輸水泵站有壓涵管進流存在的不良流態(tài)問題,需另加整流措施。底坎的整流機理是人為地制造坎后立面漩滾,破壞平面回流,使坎后流態(tài)得到重新調(diào)整,整流效果明顯,同時底坎結(jié)構(gòu)簡單,施工簡便[15-17]。

組合式整流措施是在涵管出口處布置八字形導流墩的基礎(chǔ)上,在前池適當位置同時布置底坎。根據(jù)前池典型截面速度矢量分布和進水流道所選斷面軸向速度分布制定出多個初步布置方案:將底坎布置在位置一、位置二或位置三(每個位置的間距S=2.5 m),底坎的坎高H設(shè)定為1 m、1.2 m或1.4 m,底坎寬度B設(shè)為0.7 m,如圖9所示。經(jīng)過數(shù)值計算結(jié)果的分析比較,發(fā)現(xiàn)將底坎布置在位置一時,由于其離八字形導流墩較近,導流墩的擴散作用被弱化,主流變得居中;布置在位置三時,坎后漩滾區(qū)域延伸至進水流道前,流態(tài)來不及得到充分調(diào)整?？哺逪=1 m時,整流效果較H=1.2 m時差;坎高H=1.4 m時,挑流現(xiàn)象較為明顯,造成表面流速較大。因此最終確定底坎的布置方案為底坎布置在位置二,寬度B=0.7 m,坎高H=1.2 m。

3.2.2 前池進水流態(tài)分析

采取組合式整流措施后,由于底坎的作用,使得主流在坎后發(fā)生立面漩滾,流速得到再分布。從圖10可知,在平面上,坎后有一回流區(qū),這是坎后立面漩滾造成的,過了漩滾區(qū)后,流速分布較均勻;進水池流量分配大致相同,且每個進水流道流速分布較均勻,不存在明顯的偏流現(xiàn)象。在立面上,坎前主流收縮,水流偏向自由表面[18],原方案(導流墩方案)前池表面的大尺度回流被擾亂,回流現(xiàn)象得到一定程度的抑制;進水池底部流速明顯減小,泵喇叭口前流速分布趨于均勻。

圖10 采用組合式整流措施后前池流態(tài)

3.2.3 泵進水條件分析

圖11是無整流措施和采用組合式整流措施后各進水流道所選斷面軸向速度云圖。比較后發(fā)現(xiàn),采用組合式整流措施后,3個進水流道流量分配大致相同,斷面的流速最大值明顯減小。從表2可知,采用組合式整流措施后,截面Ⅰ和截面Ⅲ的法向流速分布均勻度提高明顯,截面Ⅱ的法向流速分布均勻度也有略微提高,總體上每臺泵進水流速分布均勻性均較高,且2臺邊機組的進水條件有了較大改善。

圖11 采用組合式整流措施整流前后各進水流道所選斷面軸向速度云圖

有無整流措施Vnu/%截面Ⅰ截面Ⅱ截面Ⅲ無整流措施68．8481．8863．72組合式整流措施84．7084．2688．59

4 試驗驗證

圖12 物理模型前池流態(tài)

圖13 進水流道典型斷面流速計算值與測量值

模 型各層測點平均流速/(m·s-1)1層2層3層4層5層數(shù)值模型0．120．160．140．130．08物理模型0．160．190．120．100．07

為驗證數(shù)模計算結(jié)果的可靠性,進行了泵站物理模型試驗。通過示蹤粒子來觀測前池流態(tài),并對典型過流斷面流速分布進行了測量。選取采用組合式整流措施后3泵全開的工況,前池流態(tài)如圖12所示，進水池典型過流斷面x方向(由管涵向進水池方向)流速計算值與測量值見圖13。對比圖13(a)(b)發(fā)現(xiàn),計算值與測量值總體變化范圍均在0.04～0.23 m/s之間,但計算值每一層不同立面間流速變化幅度稍大。將典型過流斷面每一層的平均流速計算值和測量值統(tǒng)計入表3,發(fā)現(xiàn)平均流速的最大值均出現(xiàn)在第2層,分別為0.16 m/s和0.19 m/s;最小值均出現(xiàn)在第5層,分別為0.09 m/s和0.07 m/s?？傮w上,典型過流斷面每一層的平均流速計算值和測量值大小較相近,變化趨勢呈現(xiàn)一致性,由此可見,上述數(shù)值計算方法可行,整流措施優(yōu)化研究結(jié)果可信。

5 結(jié) 論

a. 城市輸水泵站布局較為局促,往往很難按水力條件良好的要求布置,進流在前池擴散段難以得到充分擴散和調(diào)整,前池兩側(cè)存在大尺度回流現(xiàn)象,進水池進流流量分配不均,水泵進水條件較為惡劣。

b. 前池內(nèi)增設(shè)八字形導流墩和底坎的組合式整流措施,能顯著改善前池流態(tài),有效消除前池兩側(cè)回流,坎后流態(tài)重新調(diào)整,各進水池流量分配大致相同,流速分布均勻且平穩(wěn),水泵進水條件良好。

c. 流速的數(shù)值模擬計算值與物理模型測量值大小相近,變化趨勢一致,表明采用數(shù)值計算方法研究泵站前池整流是可行的,數(shù)值計算結(jié)果可信。

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