侯玉山

(沈陽利鑫土木工程有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110179)

排水泵站設(shè)計(jì)主要是對(duì)其引水前池的水力特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，而引水前池水力消能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于導(dǎo)流墩的布置形式。當(dāng)前，許多學(xué)者展開對(duì)導(dǎo)流墩布置形式的研究[1- 7]，但這些研究對(duì)象大都為大型閘壩，對(duì)排水泵站的研究還較少。近些年來，有學(xué)者結(jié)合水力學(xué)模型對(duì)排水泵站導(dǎo)流墩布置形式進(jìn)行相關(guān)研究[8- 9]，但對(duì)于北方平原地區(qū)排水泵站的研究還不多見，為此本文引入數(shù)值模型，以北方排水泵站為工程實(shí)例，對(duì)該排水泵站導(dǎo)流墩的最優(yōu)布置形式進(jìn)行模擬研究。

1 研究方法

采用VOF多項(xiàng)水力學(xué)模型進(jìn)行水力學(xué)數(shù)值模擬，模擬方程為:

(1)

式中，f—水體單元體積，m3；x、y—兩項(xiàng)流體力學(xué)的變化。

假定水體不可壓縮性，其質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是可連續(xù)的，偏導(dǎo)微分方程為：

(2)

對(duì)f進(jìn)行偏導(dǎo)微分求解，求解方程為：

(3)

式中，t—計(jì)算時(shí)間，h；μ、ν—湍流系數(shù)；i、j—兩項(xiàng)計(jì)算步長；Δs—湍流值。

其整體單元的網(wǎng)格水體體積的計(jì)算方程為：

(4)

在進(jìn)行水力學(xué)數(shù)值模擬的同時(shí)，展開水工試驗(yàn)對(duì)其模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，一般實(shí)物與水工外體的幾何特征存在一定相似力學(xué)，相似方程為：

(5)

式中，X—水工模型試驗(yàn)的特征值；P、m—水工模型和原型；r—模型的比例尺。

采用弗勞德模型來進(jìn)行水工試驗(yàn)，試驗(yàn)方程為：

(6)

式中，g—重力學(xué)加速度，m2/s；其他變量同上述方程。

2 實(shí)例研究

2.1 試驗(yàn)概況

本次模型試驗(yàn)共設(shè)置4種導(dǎo)流墩的布置形式，分別為長方形、開槽形、三角形以及圓弧形，其中三角形和圓弧形為曲線導(dǎo)流墩的布置形式、而長方形、開槽形則為直線型的導(dǎo)流墩布置形式。設(shè)置不同來水條件下的排水泵站前池流態(tài)的模擬，水工模型試驗(yàn)現(xiàn)場圖如圖1所示。

圖1 水工模型試驗(yàn)現(xiàn)場

2.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

結(jié)合水工模型試驗(yàn)對(duì)不同導(dǎo)流墩布置形式下的泵站前池水力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表1—3。

表1 無導(dǎo)流墩布置下的水工模型試驗(yàn)結(jié)果

表2 曲線型導(dǎo)流墩布置下的水工模型試驗(yàn)結(jié)果

表3 直線型導(dǎo)流墩布置下的水工模型試驗(yàn)結(jié)果

從各形式導(dǎo)流墩布置形式下的水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可看出，水力學(xué)模型的試驗(yàn)流速值和計(jì)算值吻合度較好，兩者的誤差均小于20%，可以用該水力學(xué)模型來進(jìn)行不同導(dǎo)流墩布置形式下的泵站前池水力學(xué)模擬，滿足流速模擬的誤差要求。

2.3 不同來水條件下各導(dǎo)水墩布置形態(tài)下的水流模擬

結(jié)合不同來水條件對(duì)三種導(dǎo)流墩布置形式下的流速和流向進(jìn)行沿程的數(shù)值模擬，流態(tài)模擬結(jié)果如圖2—3所示。

圖2 不同導(dǎo)流墩布置形式下的排水泵站前池流態(tài)分布

圖3 不同導(dǎo)流墩布置形式下的排水泵站前池流向分布

從圖2中可看出，直線型導(dǎo)流墩布置形式下的流速分布十分不均勻，且從圖3中可看出，直線行導(dǎo)流墩布置形式下的流向出現(xiàn)急轉(zhuǎn)的突變，而在曲線型導(dǎo)流墩布置形式下的流速分布較為均勻，且流向分布未出現(xiàn)較為明顯的突變急轉(zhuǎn)。此外，從圖2—3還可看出，直線型導(dǎo)流墩布置形式下的低流速分布區(qū)逐步往后遷移，對(duì)水流的阻礙作用逐步增強(qiáng)，而曲線型的導(dǎo)流墩的邊外側(cè)流速有所增強(qiáng)，使得河道內(nèi)外流速差值逐步減小，有利于泵站向河道抽排水。且無導(dǎo)流墩布置形式下流速分布較有導(dǎo)流墩布置形式下都有所減弱，且流向分布存在較大的回水影響。

2.4 不同來水條件下各導(dǎo)水墩布置形態(tài)下的前池消能模擬分布

結(jié)合不同來水條件對(duì)各導(dǎo)水墩布置形態(tài)下的泵站消能進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同不同導(dǎo)流墩布置形式下的排水泵站前池消能模擬分布結(jié)果

梯形和開槽型屬于直線型，而三角形和圓弧形屬于曲線型，從各布置形式下的前池水力消能模擬結(jié)果可看出，曲線型的水力消能能力明顯好于直線型，曲線型導(dǎo)流墩前池水力消能分布較為均勻，而直線型導(dǎo)流墩前池消能集中在局部，對(duì)前池局部影響較大，不利于泵站前池的水力消能。

2.5 不同導(dǎo)水墩布置參數(shù)下的排水泵站前池流態(tài)分析

為滿足不同導(dǎo)水墩布置形式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)導(dǎo)水墩布置形式下的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化組合分析，分析結(jié)果如圖5—6所示。

圖5 不同長度比例組合參數(shù)下的泵站流態(tài)分析

圖6 不同深度比例組合參數(shù)下的泵站流態(tài)分析

從圖5中可看出，不同組合參數(shù)下的泵站流態(tài)效率值不同，長度比例組合參數(shù)6下的泵站效率值達(dá)到最佳，而長度比例組合參數(shù)1下的泵站效率值較低，因此對(duì)于北方平原區(qū)的泵站而言，泵站導(dǎo)流墩布置形式長度比例尺在0.5左右，泵站效率值最優(yōu)。從圖6中可看出，深度比例組合參數(shù)3下泵站的效率值達(dá)到最優(yōu)，而深度比例組合參數(shù)2下的泵站效率值效果較差，因此對(duì)于北方平原區(qū)的泵站而言，泵站導(dǎo)流墩深度比例尺在0.4左右，其泵站效率最優(yōu)。

3 結(jié)論

經(jīng)過水工模擬試驗(yàn)，對(duì)于北方平原區(qū)導(dǎo)水墩布置形式分析可以得出以下試驗(yàn)結(jié)論：

(1)布置曲線型導(dǎo)流墩對(duì)北方平原區(qū)泵站最為適宜，利于泵站向河道內(nèi)外進(jìn)行抽水和排水，其中圓弧曲線型布置形式最佳；

(2)在進(jìn)行曲線型導(dǎo)流墩布置時(shí)，長度比例尺為0.5左右，深度比例尺在0.4左右下的組合參數(shù)，泵站效率值最高，可以在泵站設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。