徐捷，施偉，袁壽其，李彥軍，李亞林*

(1. 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南水北調東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210029)

泵站是農(nóng)田灌溉、城市供排水、電廠循環(huán)水和大型調水工程的重要組成部分.在泵站工程中，前池對泵站性能具有較大影響.前池設計不合理會導致進水池旋渦較多，理想的前池可以保證水流從引渠流向進水池平順地擴散，為進水池提供良好的進水條件[1].

在前池流態(tài)優(yōu)化方面，發(fā)現(xiàn)導流除渦裝置主要為底坎、錐臺、導流板、導流墩、導流柵、立柱等[2-3]，國內(nèi)外對這些裝置的不同形狀和組合形式進行了大量的模擬和試驗研究[4-6]，韓曉維等[7]以流道進口斷面流速均勻度和流速加權平均偏流角為進流指標函數(shù)，對不同機組組合運行時的進水池內(nèi)流態(tài)及流道進口進流條件進行研究，發(fā)現(xiàn)多機組泵站各臺泵的運行性能與其所在前池中的位置和其他機組開機臺數(shù)密切相關.

在進水池的流態(tài)方面，顏紅勤等[8]發(fā)現(xiàn)應盡量避免水泵梁、進水池中有檢修平臺、胸墻等嚴重影響流態(tài)的建筑物，但并未提出可替代方案；高傳昌等[9]為了解決泵站長期低水位運行的問題，采用流體體積(VOF)模型分析了不同水位及開機組合情況下泵站進水池的水流流態(tài).杲東彥等[10]發(fā)現(xiàn)在有偏流進水條件下采用蝸形進水池，能夠進一步改善前池來流流態(tài)；李剛等[11]研究了水泵站與節(jié)制閘聯(lián)合工作的情況，得知閘站之間有相互影響，并對流場進行了優(yōu)化.

文中在以上國內(nèi)外文獻的基礎上，分析影響進水流道內(nèi)流態(tài)的各個因素，包括進口射流水利結構、河道曲率型線；此外，由于節(jié)制閘流道處存在較大的死水旋渦，因此對改進導流柵長度、調整進水方式等進行研究；綜合上述影響因素，然后以泵各個進水流道內(nèi)流態(tài)均布為目的，得到閘站上游流道設計的規(guī)律.

1 數(shù)值模擬

1.1 控制方程和湍流模型

泵站運行模式下，流道內(nèi)水流的流動屬于不可壓縮湍流流動.湍流流動具有紊動性，選用對三維流動運用最廣的標準k-ε模型進行求解.

采用商業(yè)軟件Star CCM+，利用有限控制體積法對雷諾時均Navier-Stokes方程進行數(shù)值離散，數(shù)值求解方法采用SIMPLEC算法，求解精度為2階，一階殘差收斂精度為10-5，二階殘差收斂精度為10-4.

當泵站模式開啟后，節(jié)制閘流道閘門關閉，上游流道和下游流道通過貫流泵進行流量輸運，將閘站全流道進行簡化并分別進行研究，計算域如圖1所示.

圖1 閘站上游流道水力模型Fig.1 Hydraulic model of upstream channel of sluice-pumping station

上游計算流道截止于貫流泵進口，計算域包括進口引渠、前池、進水池.

1.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

閘站設計最高水位為8.50 m，設計最低水位為7.00 m.選用8臺潛水貫流泵作為工作水泵，單泵設計流量為10 m3/s，設計揚程為5.27 m，單泵質量為16 t，軸向水推力為166.2 kN.

泵站運行模式下的邊界條件與泵站開啟臺數(shù)以及自由表面的高程有關，故設計上游流道計算域的進口邊界條件采用速度進口，速度計算公式為

v=iQd/A，

(1)

式中：i為貫流泵開啟臺數(shù)；Qd為每臺貫流泵的設計流量，10 m3/s；A為上游流道進口幾何面積，m3.

上游流道計算域出口采用自由出流，河面邊界(自由表面)做對稱平面處理[12]，即Symmetry邊界，并采用自由面剛性假定的方法[13].在河底和兩岸以及泵流道進出口邊界采用無滑移的固壁條件.

多面體網(wǎng)格對復雜幾何結構具有較強的適應能力，并且能有效提高網(wǎng)格的質量和自動化生產(chǎn)網(wǎng)格的效率，因此采用Star CCM+軟件對上游流道進行12面體網(wǎng)格劃分，劃分結果如圖2所示.

圖2 上游流道多面體網(wǎng)格劃分Fig.2 Polyhedral mesh upstream flow channel

為了適應湍流模型的需要，在壁面處加密了2層邊界層網(wǎng)格，上游進水流道的網(wǎng)格單元體總數(shù)為1 006 101～1 446 772，經(jīng)驗證滿足網(wǎng)格無關性要求.

2 優(yōu)化方案及模擬結果分析

2.1 水力特性評價指標

進水池提供的進水條件、流道的形狀，將直接影響泵站水泵進口水流的水力特性，而泵站下游流道受到泵站上游流道的影響尤其是水泵出口的狀態(tài)影響，因此將通過泵站進口斷面軸向流速分布均勻度、泵站出口截面水流偏流角2個方面進一步評價泵站上游流道的合理性.

2.1.1 泵站進口斷面軸向流速分布均勻度

泵站軸向流速分布均勻度VZ越接近100%，泵站進口水流的速度分布越均勻，說明流道設計越合理，其計算公式為

(2)

式中：VZ為軸向分布流速均勻度；vai為網(wǎng)格單元i的軸向速度；va為軸向速度平均值；ΔAi為網(wǎng)格單元i的面積；A為泵站進口斷面的面積.

2.1.2 泵站出口水流偏流角

泵站出口斷面的水流偏流角θ是指泵站出口斷面水流軸向流速與實際流速之間的夾角.θ越小 ,出口水流越接近垂直于出口斷面，說明流道的設計越合理.出口水流偏流角θ計算公式為

(3)

式中：vti為出口斷面各計算單元的橫向速度.

2.2 進口射流擴散角的影響

進口射流對整個流道流態(tài)的影響較大.前池擴散角是影響前池尺寸和水流流態(tài)的主要因素.如果前池擴散角不大于水流的臨界擴散角，則水流不會產(chǎn)生脫壁現(xiàn)象，可以避免產(chǎn)生回流[14].

圖3為進口射流擴散角影響方案示意圖：方案A為原始方案，是一種階梯式射流結構；方案B為無射流方案，如紅色虛線所示；方案C為大擴散角射流方案，即30°擴散角方案，如綠色虛線所示；方案D為小擴散角射流方案，即10°擴散角方案，如紫色虛線所示.4種方案主要對比有無射流結構以及射流擴散角度對泵站流態(tài)的影響.

圖3 進口射流擴散角影響方案示意圖Fig.3 Schematic of designs with inlet jet diffusion angle

圖4為進口射流擴散角影響方案速度流線圖.圖4a可見，當進水流道寬度相同時，速度流線很均勻；而由圖4b可見，當上游流道由過流斷面較小的梯形變?yōu)檩^大面積的矩形時，存在射流現(xiàn)象，如果流道過流斷面擴散太快，進水流道的流動會產(chǎn)生較大波動.圖4c和4d分別是較大和較小的流道擴散角，可見流道內(nèi)的旋渦發(fā)生明顯改變.

圖4 進口射流擴散角影響方案速度流線圖Fig.4 Streamlines of designs with different jet diffusion angles

圖5為4種射流影響方案的泵進口速度分布云圖，圖中P1—P8分別為8個水泵進口.

圖5 不同射流影響方案下的水泵進口速度分布云圖Fig.5 Velocity contours at pump inlet with different jet diffusion angles

圖6，7進一步表征了進口速度均勻度VZ和出口偏流角θ，最右側代表第1臺泵，最左側代表第8臺泵.

圖6 射流影響方案下的水泵進口截面速度均勻度Fig.6 Velocity uniformity in cross-section at pump inlet with different jet diffusion angles

圖7 射流影響方案下的水泵出口截面速度偏流角Fig.7 Velocity deviation angle in cross-section at pump inlet with different jet diffusion angles

從圖5中可以清晰看出，不存在射流結構時泵各個進口的速度分布形狀基本一致，且基本與y軸方向呈現(xiàn)對稱分布，如圖5a所示.而原始方案中由于存在射流，第1—2號泵進口速度明顯小于其他泵進口速度，且主速度易偏向流道右側.當射流擴散角調整后，各個泵進口速度也得到相應調整，尤其在小擴散角情況下，第4臺泵進口速度明顯變小.

由圖6，7可知：4種射流擴散角方案中，第1和第8臺泵的進口速度均勻性都優(yōu)于中間位置的第5，6，7臺泵；其中射流擴散角為10°時，8臺水泵進口速度均勻度相比其他方案均有明顯提升，因此較小射流擴散角可以顯著提高水泵進口速度的均勻度，且小射流擴散角方案各水泵出口偏流角均為最小，能為水泵提供最優(yōu)的入流條件.此外，無射流擴散角方案時，8臺泵的偏流角差別最小，進口條件最相近.

2.3 流道曲率型線的影響

對于曲率型線，研究工作多集中在泵站流道一側，雖然節(jié)制閘流道處曲率較明顯，但是在泵站運行模式下，節(jié)制閘流道處于關閉狀態(tài)，而當8臺泵同時運行時，第1—3臺泵內(nèi)流速較低，分布不均，主流速度易發(fā)生偏移，所以對泵站流道一側曲率型線進行優(yōu)化改進，設計方案如圖8所示.方案1將擴散角改到直線段處，方案2將擴散角改到曲線段處，方案3改變曲線段為直線段并適當延長擴散段長度.

圖8 流道曲率型線影響設計方案示意圖Fig.8 Schematic of designs with different channel curvature profiles

圖9為流道曲率型線影響設計方案的速度矢量分布.由圖發(fā)現(xiàn)，型線改變使得進水流道內(nèi)速度矢量分布更加均勻，但是不同型線的上側岸邊速度矢量大小不同，其中方案3速度分布最均勻，靠近上側岸邊的速度低速區(qū)較小.

圖9 流道曲率型線影響設計方案的速度矢量分布Fig.9 Velocity vectors with different channel curvature profiles

流線分布如圖10所示，方案3調整了第1臺泵進水池的型線結構，使主流區(qū)的流線更加光順，使得靠近上側岸邊的低速旋渦區(qū)變小，且遠離第1—2臺泵進口，因此貫流泵各進口的速度分布更加均勻.

圖10 流道曲率型線影響設計方案的流線對比圖Fig.10 Streamline comparison with different channel curvature profiles

圖11為3種曲率型線設計方案下泵各個進口的速度分布云圖.圖12和13分別為對應的進口速度均勻度和出口速度偏流角.

圖11 流道曲率型線影響設計方案下水泵進口速度分布云圖Fig.11 Velocity contours at pump inlet with different channel curvature profiles

圖12 流道曲率型線影響設計方案下水泵進口速度均勻度Fig.12 Velocity uniformity at pump inlet with diffe-rent channel curvature profiles

從圖11發(fā)現(xiàn)：改變曲率型線后，泵各進口的速度分布形狀明顯更加相似，說明曲率改變使得進水流道流態(tài)更加合理；不僅如此，各個泵進口的速度相對于y軸更加對稱，并且相比較仍為藍線方案3最優(yōu)，紅線方案1和綠線方案2在第1—2臺泵進口的主流速度仍偏向右側，這與該側存在低速旋渦有關.由圖12，13可知3種曲率型線下，8臺泵進口依然是第1，8臺速度最均勻，紅線方案和藍線方案下，各水泵進口都有一定程度改善，其中藍線方案相對更優(yōu)，能為水泵提供更均勻的入流.而紅線方案雖然泵進口速度均勻度不如綠色和藍色方案，但出口水流偏流角相對更小.

圖13 流道曲率型線影響設計方案下水泵出口速度偏流角Fig.13 Velocity deviation angle in cross-section at pump inlet with different channel curva-ture profiles

2.4 導流柵長度的影響

在節(jié)制閘流道前端，由于節(jié)制閘處于關閉狀態(tài)，常常形成一個較大的死水旋渦區(qū)，該渦對第8臺泵的流態(tài)有一定的影響，因此設計改變導流柵的長度以改變前端的死水旋渦區(qū)[15].

圖14為導流柵長度影響方案的速度矢量分布圖，方案Ⅰ采用的是原始無導流柵設計方案，其他3個方案則是延長靠近第8臺泵進口的導流柵長度L分別為5，10和15 m.

圖14 導流柵長度影響方案的速度矢量分布圖Fig.14 Velocity vectors with different flow conditioner lengths

圖15為與圖14對應的流線圖.從圖中可以看出，導流柵長度確實可以改變節(jié)制閘流道前的大渦，但是加導流柵后對整個進口流道流動產(chǎn)生了影響，尤其是第1—3臺泵的進口流道條件變差，不僅主流道內(nèi)旋渦變大并延伸到整個上側岸邊，同時泵進口流道內(nèi)出現(xiàn)了小的旋渦.

圖15 節(jié)制閘流道加裝導流柵的流線對比Fig.15 Streamline comparison with different flow conditioners installed at throttle valve flow channel

2.5 節(jié)制閘流道前擋板的影響

圖16為節(jié)制閘流道影響下水泵各進口速度分布云圖.從圖中可以看出，L=0方案的速度分布最好，而在節(jié)制閘流道前加擋板，為第8臺泵進口改善流道條件后，第8臺泵的速度值反而下降，且造成第1—3臺貫流泵的速度值下降，主流速度更易偏向右側，速度明顯分配不均.所以，綜合考慮不建議加擋板.

圖16 節(jié)制閘流道影響下水泵進口速度分布云圖Fig.16 Velocity contours at pump inlet with different flow conditioners installed at throttle valve flow channel

3 結 論

以目標閘站為研究對象，針對上游流道進口射流擴散角、流道曲率型線、導流柵長度等因素，研究不同方案對泵站上游流道流態(tài)的影響，得出以下主要結論.

1) 在進口射流方面，原始階梯式射流結構對比無射流、大擴散角、小擴散角方案，發(fā)現(xiàn)較小的流道擴散角可以使流道內(nèi)旋渦明顯改善，水泵進口速度更均勻，出口偏流角更小，可為水泵提供更好的入流條件.

2) 流道型線改為直線段并適當延長可以使流線更加光順，各水泵進口的均勻度得到提升.

3) 隨著節(jié)制閘流道長度增大，上側岸邊的低速區(qū)明顯增大，雖然適當延長節(jié)制閘流道長度可以改善流道前端的死水旋渦區(qū)，但導流柵同時會使泵進口條件變差，主流內(nèi)旋渦擴大.