陳 偉，成 立，周春峰，李尚紅

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.江蘇省南京市水務(wù)設(shè)施管理中心，南京 210000；3.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

分叉型側(cè)向進(jìn)水前池是一種常見(jiàn)的進(jìn)水前池形式，其往往存在回漩、進(jìn)水流態(tài)等不良現(xiàn)象，使得前池流態(tài)紊亂，造成泥沙淤積[1-3]，從而影響泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。迄今為止，有眾多學(xué)者已對(duì)前池流態(tài)的改善做了一定的研究，其中主要包括增減前池的長(zhǎng)度、前池?cái)U(kuò)散角的改變、增設(shè)底坎[4,5]、立柱[6]、隔墩[7]、導(dǎo)流墩和壓水板等[8-11]。馮旭松[12]分析了泵站前池的正向、側(cè)向進(jìn)水底坎整流以及坎后流動(dòng)機(jī)理；羅燦等[13]對(duì)泵站正向進(jìn)水前池底坎整流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出底坎幾何參數(shù)對(duì)前池整流的影響；周正富等[14]在側(cè)向進(jìn)水泵站流態(tài)改善措施中，分析出底坎在該泵站中具有明顯的整流效果。但目前對(duì)于分叉型側(cè)向進(jìn)水前池的底坎整流機(jī)理研究還是很少的。

本文針對(duì)某泵站工程前池流態(tài)改善，通過(guò)數(shù)值模擬，改變底坎位置及不同幾何參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算分析其在分叉型側(cè)向進(jìn)水前池整流效果，為改善分叉型側(cè)向進(jìn)水泵站前池流態(tài)提供了一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究物理模型

計(jì)算模型主要包括引渠、前池、進(jìn)水池(1號(hào)～5號(hào))以及吸水管。將整個(gè)水體流動(dòng)的區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域[圖1(a)]。共設(shè)有9個(gè)出水口，其中新站五臺(tái)機(jī)組，老站四臺(tái)，出水口流量均等，段面1-1位于進(jìn)水池相對(duì)位置0.4D，L為底坎相對(duì)進(jìn)水池相對(duì)距離。圖1(b)為底坎局部細(xì)節(jié)示意圖。其中H為坎高，X為底坎寬度。

圖1 計(jì)算區(qū)域及局部細(xì)節(jié)示意圖Fig.1 Calculation area and sill local detail diagram

1.2 計(jì)算方法及邊界條件

由于雷諾數(shù)較大，且存在邊壁脫流和大尺度回流，故采用k-ε模型。本文分別采用RNGk-ε模型[15]和Realizablek-ε[16]兩種模型對(duì)無(wú)整流措施情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，RNGk-ε湍流模型收斂性更好，故采用RNGk-ε湍流模型作為數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

基于不可壓縮流體的連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程，忽略熱交換；取引渠進(jìn)水?dāng)嗝鏋檫M(jìn)口，設(shè)置流量進(jìn)口，總流量為22.5 m3/s；出口為進(jìn)水池出水管的出口側(cè)，出口邊界條件設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；在固體邊壁處規(guī)定無(wú)滑移條件；引渠水面高度為1.5 m，進(jìn)水池水面高度為3.2 m，步長(zhǎng)為500，收斂精度為10-6。

1.3 網(wǎng)格剖分

采用Mesh軟件劃分網(wǎng)格，將總水力損失作為衡量網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的參考物理量，計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Hf為前池、進(jìn)水池和吸水管的總水力損失；Pin為進(jìn)口斷面的總進(jìn)口壓強(qiáng)；Pout為新站出口斷面的總壓強(qiáng)；

通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量在2.2×106左右時(shí)，水力損失的變化較小，誤差僅在±1.5%，計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定。所以為節(jié)省計(jì)算資源，網(wǎng)格數(shù)量選取在220萬(wàn)左右比較合適。

圖2 網(wǎng)格剖分與不同網(wǎng)格數(shù)量下的水力損失HfFig.2 Partial grid division and the grid is divided into the flow loss Hf under the different mesh quantity

2 研究方案

重點(diǎn)研究底坎位置、高度及寬度對(duì)前池流態(tài)改善影響，共7種方案(見(jiàn)表1)，方案1～3研究對(duì)底坎位置變化對(duì)前池整流效果的影響；方案3～7研究底坎高度和寬度對(duì)前池流態(tài)的影響。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 數(shù)模與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3(a)、(b)為無(wú)整流措施下整體面層與前池最底層流線(xiàn)圖。由圖3可知，無(wú)整流措施時(shí)，引渠末端邊坡出現(xiàn)較大回流區(qū)，造成主流被壓迫，將會(huì)發(fā)生偏流，出現(xiàn)側(cè)向進(jìn)水。通過(guò)圖3(b)可得，前池兩側(cè)存在兩個(gè)較大回流區(qū)，兩側(cè)回流區(qū)壓迫主流嚴(yán)重，引起主流向一側(cè)偏斜嚴(yán)重，導(dǎo)致泵站進(jìn)水條件惡化，甚至發(fā)生側(cè)向進(jìn)水。圖3(c)為泵站進(jìn)水池前斷面計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果行近流速分布對(duì)比圖。研究表明：計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的行近流速最大值均在5號(hào)機(jī)組前，1號(hào)機(jī)組的進(jìn)水條件較差。數(shù)模計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果雖有一定差異，但變化趨勢(shì)基本是一致的。這說(shuō)明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是具有一定可信度的。由于整體面層流線(xiàn)與整流后的面層流線(xiàn)無(wú)明顯差異，所以本文只對(duì)前池整流后底層流態(tài)變化進(jìn)行計(jì)算分析。

表1 研究方案Tab.1 Research plane

圖3 無(wú)整流措施下流線(xiàn)與行近流速圖Fig.3 Streamline and near velocity without rectification measures diagrams

3.2 底坎位置對(duì)前池流態(tài)的影響

取正對(duì)流動(dòng)方向?yàn)榭睬?，反之為坎后。圖4(a)～(c)為底坎3種不同位置下的前池底層計(jì)算流線(xiàn)圖。由圖4可見(jiàn)，在方案1情況下，底坎位置距離進(jìn)水池較遠(yuǎn)(L=5D)，坎前邊側(cè)回流不明顯，水流越過(guò)底坎前具有較大的能量，水流中的能量未能進(jìn)行交換，嚴(yán)重影響進(jìn)水池進(jìn)水流態(tài)；方案2中，坎前邊側(cè)存在回旋，水流中的能量經(jīng)過(guò)底坎得到一定的交換，進(jìn)水流態(tài)一般；方案3中，坎前邊側(cè)漩渦消失，坎后的水流得到充分發(fā)展。比較4個(gè)方案在斷面1-1處行近流速與流速均勻度[圖4(d)、(e)]可得，無(wú)整流措施時(shí)，行近流速?gòu)淖笸页试鲩L(zhǎng)趨勢(shì)，左側(cè)流速偏低，中間流速均勻度較高，右側(cè)流速均勻度偏低；增設(shè)底坎后，流速分布得到明顯改善，行近流速呈兩邊高中間低，流速均勻度呈中間高兩邊低。經(jīng)比較分析，方案3底坎位置較為合理，行近流速與流速分布均勻度相對(duì)較好，因此選取方案3相對(duì)較合適。

圖4 不同方案流線(xiàn)圖與流速比較Fig.4 Comparison of flow chart and velocity of different planes

3.3 底坎高度對(duì)前池流態(tài)的影響

圖5(a)～(c)為底坎位置不變不同高度下的前池底層流線(xiàn)圖。由圖5可知，當(dāng)?shù)卓哺叨仍黾右槐逗?，方?坎前邊側(cè)再次出現(xiàn)大尺度回旋；當(dāng)?shù)卓哺叨冗m合時(shí)(方案5)，前池邊側(cè)回旋基本消失，坎后流動(dòng)能充分均勻分配，進(jìn)水流態(tài)較好。通過(guò)比較圖5(d)、圖5(e)可知，方案4行近流速與流速均勻度分布較差，方案3、5整體差異不大，其中1號(hào)機(jī)組行近流速偏低，2號(hào)機(jī)組前行近流速明顯偏高，說(shuō)明底坎高度對(duì)前池流態(tài)有著重要的影響。在方案5底坎高度下更合理，斷面行近流速與流速均勻度分布較好。

圖5 不同方案流線(xiàn)圖與流速比較Fig.5 Comparison of flow chart and velocity of different planes

3.4 底坎寬度對(duì)前池流態(tài)的影響

圖6(a)～(c)為底坎不同寬度下的前池底層流線(xiàn)圖。由圖6可見(jiàn)，在方案5、6情況下底坎寬度對(duì)前池流態(tài)影響較小。當(dāng)?shù)卓矊挾冗^(guò)長(zhǎng)(方案7)，坎前邊側(cè)出現(xiàn)大尺度回旋，進(jìn)水流態(tài)惡化。通過(guò)比較分析圖6(d)、(e)可得，增設(shè)底坎并改變底坎寬度后，方案7行近流速與流速均勻度分布較差，說(shuō)明底坎寬度不宜過(guò)長(zhǎng)。綜合比較，方案5前池流態(tài)改善效果明顯。

3.5 底坎整流機(jī)理分析

圖7分別為方案5的前池底層流線(xiàn)圖與行近流速變化分布圖。由圖7可見(jiàn)，坎前的水流流速分布不均勻。在合理的底坎位置及幾何參數(shù)下，水流過(guò)底坎后，水流在縱向和橫向產(chǎn)生能量交換，過(guò)坎后的流速分布得到明顯的改善，這表明底坎在分叉型側(cè)向進(jìn)水泵站前池整流效果中起到了一定的作用，可使得泵機(jī)組進(jìn)水流態(tài)得到改善。

圖6 不同方案下流線(xiàn)與流速比較Fig.6 Comparison of flow chart and velocity of different palnes

圖7 最優(yōu)方案前池底層流線(xiàn)與行近流速變化示意圖Fig.7 Streamline at the bottom of the forebay in the best plane and the change of velocity diagrams

4 結(jié) 語(yǔ)

基于CFX技術(shù)，研究了底坎位置、高度以及寬度的變化對(duì)泵站前池流態(tài)的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)無(wú)整流措施時(shí)，引渠末端邊坡存在大尺度回流，前池邊側(cè)出現(xiàn)大尺度回旋區(qū)，進(jìn)水池流速分布不均勻。

(2)合理的底坎位置以及幾何參數(shù)可有效改善分叉型側(cè)向進(jìn)水泵站前池內(nèi)流態(tài)，減小回流區(qū)范圍，有助于泵站高效與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(3)經(jīng)對(duì)比分析，方案5的整流效果最佳，前池邊側(cè)回流區(qū)基本消失，水流中的能量得到很好的交換，前池底層流態(tài)得到明顯改善，進(jìn)水流態(tài)較好。其主要參數(shù)為：距進(jìn)水池的相對(duì)位置為2D，高0.67D，寬為0.44D。

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