雷 恒，李 穎，高新江，羅全勝

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)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(kāi)封 475003； 3.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都 610065)

雨水泵站進(jìn)水前池[1]的水流流態(tài)對(duì)水泵運(yùn)行時(shí)的效率、汽蝕程度、振動(dòng)及噪聲產(chǎn)生較大影響，不良的流態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響水泵的性能。傳統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)受到場(chǎng)地限制、人身安全、測(cè)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(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，采用CFD技術(shù)能有效模擬復(fù)雜的過(guò)程、降低成本、提高精度。國(guó)內(nèi)學(xué)者陳上志等[2]通過(guò)數(shù)值模擬，分析了泵站進(jìn)水池的水流流態(tài)；高傳昌等[3]對(duì)泵站前池與進(jìn)水池水流通過(guò)數(shù)值模擬提出了整流方案。國(guó)外學(xué)者Cheng B等[4]、Constantinescu G S等[5]對(duì)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(guó)Rampura雨水泵站為例，建立數(shù)學(xué)模型和湍流模型，對(duì)該泵站前池水流流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)水力模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證，保證運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生重要的問(wèn)題，水流無(wú)有害漩渦，并不會(huì)對(duì)原型泵的運(yùn)行造成影響[6]。

1 工程概況

Rampura雨水泵站位于孟加拉國(guó)達(dá)卡市東部地區(qū)，泵站受納水體為Begunbari河道，受納水體洪水位為7.09 m(絕對(duì)標(biāo)高)，汛期最高、最低及正常水位分別為5.5、2.5和3.5 m。泵站設(shè)置5臺(tái)軸流泵，單泵流量Qp=5 m3/s，進(jìn)水采用明渠進(jìn)水，長(zhǎng)度約76 m，進(jìn)口處設(shè)自動(dòng)除污格柵，出水消能池1座，5根DN1 500 mm出水鋼管[6]。見(jiàn)圖1。

圖1 Rampura雨水泵站布置圖

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(chǎng)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L(zhǎng)p/Lm=λL=6，模型按弗勞德準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[6]。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(guò)150 mm，泵吸入口直徑大于80 mm，符合國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)[7]《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，泵室部分采用有機(jī)透明玻璃制作，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[6]。

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)104×104左右，見(jiàn)圖2(a)、圖2(b)。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(dòng)能均采用二階迎風(fēng)格式離散計(jì)算[8]。前池計(jì)算區(qū)域及分析斷面見(jiàn)圖2(c)，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。

2.3 控制方程

泵站前池水流屬?gòu)?fù)雜的三維紊流流態(tài)，假定在定常、不可壓流動(dòng)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[9-10]。方程組如下：

圖2 計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域及分析斷面

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

k方程：

ε方程：

2.4 邊界條件

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(guò)CFD數(shù)值模擬，得到引水渠和前池流場(chǎng)分布情況，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0.20 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，進(jìn)口左岸有繞流現(xiàn)象，右岸有回流，該區(qū)域從引水渠底一直延伸到表面，且漩渦強(qiáng)度很小。通過(guò)模型試驗(yàn)，見(jiàn)圖3(b)，進(jìn)水口左側(cè)翼墻處稍有不明顯且不連續(xù)的渦流；隨著水位降低，進(jìn)水口左側(cè)翼墻處表面渦紋強(qiáng)度增加，左側(cè)的擾流強(qiáng)度及范圍逐漸增強(qiáng)，低水位時(shí)偶見(jiàn)2類(lèi)渦旋，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近。

圖3 引水渠表面流速和流態(tài)分布圖

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(mén)前流態(tài)分布比較平順，在高度上約占前池進(jìn)口高度的1/3。由圖4(b)和圖4(c)(Z=2 000)可知，在前池表面存在兩個(gè)表面漩渦，但兩個(gè)漩渦并不是完全對(duì)稱(chēng)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(mén)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(dòng)，見(jiàn)圖5(e)(Z=3 000)，所以該漩渦不會(huì)對(duì)喇嘛口附近的流態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。模擬計(jì)算時(shí)，參考?jí)毫Φ奈恢眠x擇在前池進(jìn)口水面處，參考?jí)毫χ禐?01 325 Pa。從圖5(d)可知，漩渦中心的壓力明顯高于汽化壓力，說(shuō)明流速小，漩渦強(qiáng)度很小，不會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

圖4 前池及喇叭口不同水平剖面流態(tài)和壓力分布圖(壓力單位：Pa)

圖5 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)

由圖5(a)～圖5(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(duì)稱(chēng)的，但在靠近導(dǎo)流墻附近此漩渦變小，逐漸消失。由圖5(d)可知，漩渦中心的絕對(duì)壓力高于汽化壓力，說(shuō)明漩渦強(qiáng)度很小，流速也很小，不會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。由圖5(e)～圖5(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(duì)喇叭口附近的流動(dòng)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，表面渦最大，側(cè)附壁渦次之，后附壁渦最小。這些漩渦在喇叭口附近消失且漩渦中心的絕對(duì)壓力明顯高于汽化壓力，漩渦強(qiáng)度很小，不會(huì)產(chǎn)生氣蝕，所以對(duì)泵運(yùn)行性能沒(méi)有影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，Rampura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(huì)對(duì)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。