安明明

(河南省濟源水文水資源勘測局,河南 濟源 459000)

0 引言

泵站前池是泵站的主要組成部分，主要功能是引導水流順暢進入泵站機組吸水管，前池流場特性的優(yōu)劣直接關(guān)系泵站運行效率和安全。羅燦等N-S方程和RNGk-ε湍流模型模擬分析了雙側(cè)向進水泵站前池流場，發(fā)現(xiàn)不同運行工況的流態(tài)分布都不均勻；營佳瑋等采用VOF模型研究了某大型泵站前池流態(tài)，發(fā)現(xiàn)前池兩側(cè)存在回流現(xiàn)象；徐存東等開展了基于CFD的泵站前池水流形態(tài)數(shù)值模擬，研究表明前池水流在平面和立面的擴散效果均較差，存在嚴重的主流效應(yīng)。對于黃河灌區(qū)，泵站是灌區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，是灌區(qū)水資源輸移和配置的心臟，受水源含沙、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等因素的影響，黃河灌區(qū)泵站前池更易出現(xiàn)流場結(jié)構(gòu)不良(如偏斜、脫壁、低速回流區(qū)等)、泥沙淤積嚴重等問題，導致泵站機組進水條件差，制約泵站性能正常發(fā)揮，同時還會大幅增加泵站運維成本。因此，開展黃河灌區(qū)泵站前池流場特性研究具有重要意義。文章選取某黃河灌區(qū)泵站前池作為典型研究對象，采用CFD數(shù)值模擬方法對該泵站前池流場特性進行求解與分析，同時探索黃河灌區(qū)泵站前池不良流場產(chǎn)生原因。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

黃河灌區(qū)泵站前池水流為不可壓縮湍流，固采用Realizablek-ε湍流模型進行描述，而且泵站水源含沙，水流屬于水沙兩項混合流體，泥沙廣泛分布于水體，對水流具有很好的跟隨性，因此采用不考慮相間滑移的Mixture模型進行均勻兩相流流場辨識模擬。求解過程采用Second Order Upwind和SIMPLEC算法以保證結(jié)果精度，計算精度取10-4。

1.1 控制方程

研究中水流為不可壓縮流體，不考慮能量交換，則水沙兩相流控制方程如下。

①連續(xù)性方程：

(1)

②運動方程：

(2)

1.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

研究選取的典型泵站前池共布置有機組8臺，設(shè)計流量9.50 m3/s，其中4#機組流量為2.00 m3/s，其于機組流量均為1.50 m3/s，設(shè)計工況條件下1#、2#、4#、6#、7#、8#機組運行，3#、5#機組備用。利用ICEM-CFD軟件構(gòu)建典型泵站前池原尺寸三維幾何模型，并對其進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分過程中對空間狹小部位進行適當加密，劃分網(wǎng)格單元總數(shù)約為325萬個，劃分結(jié)果示意圖如圖1所示。

圖1 泵站前池計算域網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 邊界條件

①進口邊界：泵站前池流場特性數(shù)值模擬計算域進口斷面已知，并以設(shè)計流量運行，可確定計算域進口斷面流速，因此進口邊界采用Velocity-inlet。②出口邊界：計算域出口即泵站機組進口，將出口水流視為完全發(fā)展湍流，因此設(shè)置出口邊界條件為outflow。③水流表面邊界：泵站前池水流表面區(qū)域受風力等外界環(huán)境條件擾動不大，基本可視為平靜液面，無明顯浮動，固采用剛蓋假定進行水體液面描述，設(shè)置邊界條件為symmetry。④近壁邊界：對于湍流，近壁面邊界至流動核心區(qū)劃分為粘性子層、過渡層、湍流核心區(qū)域三個區(qū)域，k-ε系列模型只適用于充分發(fā)展的湍流核心區(qū)，對于近壁面區(qū)域，采用壁面函數(shù)法將粘性子層和過渡層的流動特性與湍流核心區(qū)域聯(lián)系起來，因此近壁邊界采用標準避免函數(shù)進行處理。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

將ICEM軟件劃分的典型黃河灌區(qū)泵站前池網(wǎng)格文件(.msh文件)導入Fluent軟件進行水沙混合流體流場特性模擬，然后對模擬結(jié)果提取觀測斷面流速分布特征圖進行流場特性分析。設(shè)定沿水流方向為X正方向，X=0為前池入口斷面；與X方向垂直方向為Y方向，Y=0為前池中間對稱斷面，向右岸為正方向；水深方向為Z正方向，Z=0為液面。本研究共設(shè)置觀測斷面9個，詳見表1。各斷面流速分布矢量圖和云圖如圖2、圖3所示。

表1 流速分布特征觀測斷面表

(a)水平斷面Z=0.30 m的流速分布矢量圖和云圖

(b)水平斷面Z=0.90 m的流速分布矢量圖和云圖

(c)水平斷面Z=1.50 m的流速分布矢量圖和云圖

(d)水平斷面Z=2.50 m的流速分布矢量圖和云圖圖2 水平觀測斷面流速分布矢量圖和云圖

圖3 縱向觀測斷面流速分布矢量圖和云圖

由圖2分析可知，泵站前池水流在水平方向上主流效應(yīng)明顯，且主流略向左岸偏斜，前池內(nèi)兩側(cè)存在大范圍旋渦回流區(qū)，回流區(qū)自前池入口便開始形成并一直延伸至前池末端，回流區(qū)影響范圍約占前池容積的1/3，前池兩側(cè)均形成有2個旋渦回流中心，中心流速近乎為0，前池兩側(cè)及末端的回流區(qū)影響范圍內(nèi)水體流速基本在0.15 m/s以下；主流區(qū)域流速明顯高于兩側(cè)回流區(qū)水流流速，沿水流行進方向水體流速逐漸衰減，水流行進至前池末端除了部分進入機組吸水管外，主要受后壁的限制而向兩側(cè)擴散；沿水深方向旋渦回流區(qū)范圍呈微弱的減小趨勢，主流的平面擴散效果略有提高，主要是受前池后部斜坡段和下部吸水管吸水的影響，下部水體擴散空間增加，受兩側(cè)回流區(qū)對主流的擠壓作用減弱；泵站機組吸水管喇叭口附近(圖2-c)，4#喇叭口進水相對順暢，水流行進方向與其軸線基本平行，而兩側(cè)其他吸水管軸線均與水流行進方向呈一定的夾角，進水條件相對較差，不利于泵站機組的高效運行。

由圖3分析可知，沿水深方向泵站前池兩側(cè)旋渦回流區(qū)水體流速無明顯梯度變化且均處于較低水平，而主流區(qū)域流場分布可以劃分為2個階段，前池水平段水體流速隨水深增加而減小，這是水流受前池水平段底部摩擦的影響，水流達到斜坡段之后水體流速沿水深則略有提高，主要是因為前池斜坡段擴散空間增加、水體下沉，在重力和吸水管吸水的作用下水體流速增加；水流達到前池后壁時行進受阻開始沿里面向上翻滾，易造成吸水管吸水方向在立面上與水流行進方向不一致，影響機組運行。

可見，該黃河灌區(qū)泵站前池水體水平擴散和里面擴散效果差，主流相應(yīng)顯著，存在大范圍旋渦回流區(qū)、低流速區(qū)以及流速分布不均勻等不良流場，進而導致泵站機組吸水管進水條件差，泵站前池向機組吸水管提供平順水流的功能并沒有得到發(fā)揮，同時不良流場的存在會導致黃河灌區(qū)泵站前池泥沙淤積，影響泵站的正常運行。分析黃河灌區(qū)泵站前池不良流場產(chǎn)生的原因主要有2個方面：①黃河灌區(qū)泵站前池擴散角設(shè)計不合理，易造成水流進入前池后發(fā)生脫壁，進而引起水體主流效應(yīng)及回流區(qū)的產(chǎn)生；②前池斜坡段設(shè)置不合理，造成吸水管附近水下容積與機組進水流量不匹配，制約水體行進。然而，對于上述2個原因與黃河灌區(qū)泵站前池流場特性之間的定性或定量關(guān)系還有待進一步研究。

3 結(jié)語

①采用Realizablek-ε湍流模型耦合Mixture模型，忽略水沙兩相流的相間滑移，能夠?qū)崿F(xiàn)對黃河灌區(qū)泵站前池流場特性的辨識和模擬，為泵站前池流場特性分析提供了可靠手段。②典型黃河灌區(qū)泵站前池水流的主流效應(yīng)顯著，兩側(cè)非對稱旋渦回流區(qū)占據(jù)前池容積的約1/3，回流區(qū)影響范圍內(nèi)水體流速在0.15 m/s以下，沿水深方向水流平面擴散效果有所改善，而在立面上水流在前池末端向上翻滾形成里面旋渦，除4#吸水管進水條件較好外其余機組吸水管進水條件均較差。③黃河灌區(qū)泵站前池不良流場嚴重制約泵站水力性能的發(fā)揮，前池擴散角和斜坡段縱坡設(shè)置不合理是引起泵站前池不良流場的主要原因，可以通過優(yōu)化泵站前池結(jié)構(gòu)參數(shù)或在前池內(nèi)增設(shè)整流工程措施來改善黃河灌區(qū)泵站前池流場特性，提升黃河灌區(qū)泵站的運行效率。