奚 斌，鄭雅珍，段元鋒，楊 旭，魯 儒

(揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225000)

1 研究背景

閘站結(jié)合的布置方式以布置緊湊、占地面少而被廣泛應用，但容易使得樞紐運行時的上下游水流流態(tài)復雜化。閘、站分別單獨運行時，來流總是偏于一側(cè)。當來流方向發(fā)生偏折后，易引發(fā)不良流態(tài)，出現(xiàn)大范圍回流區(qū)，并進一步誘發(fā)泵站進水口漩渦。不良的水流流場給工程運行帶來不利影響。因此，對閘站結(jié)合式泵站工程的流態(tài)研究十分必要。

一些學者對閘站結(jié)合式水利樞紐的水力流動特性進行了研究。陸銀軍等[1]通過延長隔墩，有效地將回流區(qū)上移，降低了橫向流速。Luo等[2]提出在前池內(nèi)加設(shè)置長導流墩，改善水流流態(tài)。此外，對于閘站結(jié)合式泵站，閘站結(jié)合處的導流墻將導致泵站前池流態(tài)更加復雜。為改善水流條件，學者們提出了多種整流措施[3-6]，其中不僅包含了單一形式的導流墩[7-8]、底坎[9-11]、立柱[12]和壓水板[13]等，也開始涉及組合式整流措施[14-16]。但由于每個工程的差異性，相對來說對組合式整流措施的研究較少，且研究中未關(guān)注同一進水流道左右側(cè)流場差異。在進流條件較復雜的閘站結(jié)合式泵站工程中，由于閘站間進流的相互影響、空間布局結(jié)構(gòu)等原因，單一形式的整流措施往往不能達到良好的整流效果。

本文采用物理模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對某閘站前池和進水池的流態(tài)進行了研究。該工程前池、引渠較短，進流條件較差，采用的閘站結(jié)合式布置方式使泵站進流橫向流速較大。本文提出了多種整流方案，分別研究了其對泵站前池、進水池流態(tài)的調(diào)整作用，其中包括一種組合式整流措施，可以為同類閘站的設(shè)計和更新改造提供參考。

2 物理模型試驗

2.1 試驗模型及試驗方法

某閘站中泵站設(shè)計排澇流量為40 m3/s，設(shè)計凈揚程0.98 m，泵站采用2臺豎井貫流泵，單泵流量為20 m3/s，與節(jié)制閘聯(lián)合調(diào)度運行。節(jié)制閘共3孔，每孔凈寬6 m；泵站流道寬7.2 m，進水池由厚1 m的中隔墩分隔成左右兩側(cè)，1號進水流道靠近翼墻，2號進水流道靠近閘站結(jié)合處的導流墻。閘站工程包括引渠、前池、進水池、進水流道和節(jié)制閘等。其中泵站布置在左岸，前池由長為12 m的1∶10的斜坡段和8 m的水平底坡組成，節(jié)制閘布置在右岸，閘站結(jié)合處由導流墻隔開。

為了研究閘站運行時的水流流態(tài)，根據(jù)幾何相似、水流運動相似和動力相似等準則和相應規(guī)程制作了研究對象的物理模型。采用幾何比尺30，則流速比尺、流量比尺和糙率比尺[17]分別為5.477、4 929.5和1.762 7。

試驗模型包括引渠、前池、進水流道、導流墻、節(jié)制閘、外海側(cè)、輔助泵、電磁流量計、循環(huán)管道、智能水位儀和配電箱等，裝置如圖1所示。通過電磁流量計采集數(shù)據(jù)和測量流量，并在單機組運行時，通過出水口三角堰校核。采用智能水位儀測量水位，使用測壓管測量水位進行同步校驗。采用智能流速儀和數(shù)字粒子圖像測速(DPIV)進行流速測定和分析，底部流場通過化學粒子示蹤法展示。進水流道內(nèi)水流流態(tài)通過有色示蹤液的流動展示說明。模型采用控制單泵過流量(通過調(diào)節(jié)控制閥的開度來控制流量)，進出水池水位、閘門啟閉以及開泵臺套數(shù)的方法，形成相應運行工況。然后通過DPIV技術(shù)和化學粒子示蹤液進行流態(tài)采集，并將采集的試驗數(shù)據(jù)利用圖像處理軟件進行處理，得到對應部位流場矢量云圖等。

圖1 模型試驗裝置Fig.1 Model test devices

2.2 原方案存在的問題

經(jīng)模型試驗發(fā)現(xiàn)，當閘門關(guān)閉，兩臺機組同開，達到設(shè)計排澇流量40 m3/s時，原方案泵站前池存在以下幾個方面的問題：①可見明顯的回流區(qū)出現(xiàn)在前池導流墻左側(cè)，該回流區(qū)發(fā)生于導流墻頂端，發(fā)展并延續(xù)至站前，橫向?qū)挾瘸^前池寬度的1/5，如圖2(a)所示。②進水池流態(tài)受前池內(nèi)的不良流態(tài)影響，致使在機組進水池內(nèi)形成了第四類漩渦，其特征為表面下陷明顯，雜物落入后隨漩渦下沉并吸入取水口,對水泵的安全運行極為不利，如圖2(b)所示。③流道進水主流發(fā)生了嚴重偏折，進水水流不順直。且前池水流進入進水池后，進水池左右側(cè)流速偏差大；在進水池左側(cè)注射示蹤液，示蹤液通過中隔墩開設(shè)的孔流入右側(cè)，說明進水池右側(cè)流速明顯大于左側(cè)，如圖2(c)所示。

圖2 模型試驗泵站流態(tài)Fig.2 Flow patterns of pump station in model test

為進一步定量分析進水池兩側(cè)流速差異，選取各流道左右側(cè)斷面中心線作為測線所在位置，測量其0.6倍水深處測點軸向流速，從右往左依次標記為A、B、C、D四個特征點(見圖3)，試驗中進行了多次測速，測速結(jié)果如表1所示。

表1 進水池兩側(cè)軸向流速差異分析Table 1 Analysis of axial velocity difference between two sides of intake tank

圖3 測點位置示意圖Fig.3 Location of measuring points

此外，引入兩側(cè)流速偏差度λ來衡量進水池左右兩側(cè)流速偏差的程度，其表達式為

(1)

式中V1、V2分別為進水流道左右兩側(cè)軸向流速(m/s)。

試驗表明，進水池左右兩側(cè)流速均存在一定偏差，特別針對二號流道，進水池兩側(cè)軸向流速偏差度高達12.63%，致使進泵水流流速均勻度差，易引發(fā)機組震動。實際工程中會影響機組安全穩(wěn)定運行。

3 數(shù)值模擬優(yōu)化

為了對原設(shè)計方案進行優(yōu)化，擬通過數(shù)值模擬先進行整流方案優(yōu)選。故據(jù)某閘站工程建立與物理模型同比尺的數(shù)學模型?？刂品匠虨檫B續(xù)性方程和動量方程(N-S方程)。經(jīng)計算，泵站前池內(nèi)的雷諾數(shù)為1.33×106，遠大于3×104，流動處于高雷諾數(shù)湍流狀態(tài)，是一種充分發(fā)展的湍流。故在FLUNT中選取標準K-ε模型作為本文數(shù)值模擬的湍流模型，利用有限體積法對區(qū)域進行離散化，采用壓力與速度耦合求解算法(SIMPLE算法)求解。最大迭代步數(shù)設(shè)置500步，各默認監(jiān)控參數(shù)的收斂精度保持不變，即10-3。將引渠進水斷面作為進口，該斷面的流速可認為是均勻分布，采用速度入口邊界條件，流量為40 m3/s；將進水流道進口斷面作為出口，采用自由出流條件。固體邊界均設(shè)為壁面邊界條件，為無滑移壁面，并采用標準壁面函數(shù)對壁面進行處理。自由水面忽略自由液面與大氣層之間的熱交換，作對稱平面處理。

3.1 計算區(qū)域與網(wǎng)格

計算區(qū)域包括引渠、泵站前池、進水池、節(jié)制閘等。采用UG10.0建立了該閘站的幾何模型，如圖4所示。數(shù)學模型流道進口前的水深為0.197 m，為設(shè)計運行水位。

圖4 閘站進水部分三維模型Fig.4 Three dimensional model of intake part of sluice station

采用對幾何結(jié)構(gòu)邊界適應性較強的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并利用Mesh進行網(wǎng)格劃分。經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量評價,發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格單元總數(shù)為164.8×104，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為30.3×104時,網(wǎng)格質(zhì)量較好,可以滿足網(wǎng)格無關(guān)性檢查的要求。

3.2 數(shù)值模擬的可靠性分析

為驗證數(shù)值模擬的合理性、可行性，保證后期提出的整流措施的可靠性,首先利用建立的數(shù)值計算模型對原設(shè)計方案的流場進行數(shù)值模擬，然后將通過數(shù)值計算結(jié)果與物理模型試驗獲得的流場進行對比分析。以閘門關(guān)閉，兩臺機組同開，達到設(shè)計排澇流量40 m3/s時為數(shù)值模擬的計算工況和物理模型試驗工況。

為了對物理模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，選取了數(shù)值模擬的3個特征斷面進行流態(tài)分析：面層水平剖面Z=0.157 m、0.6倍水深處水平剖面Z=0.063 m、底層水平剖面Z=0.010 m，如圖5(a)所示。圖5中的(b)、(c)、(d)分別為面層、0.6倍水深處、底層的前池、進水池水平剖面流速云圖。

圖5 前池、進水池水平剖面流速云圖Fig.5 Velocity contours of horizontal profile of forebay and intake basin

從圖5可以看出，不同水平剖面云圖均顯示，在導流墻左側(cè)即泵站前池，存在大范圍回流區(qū)。該回流區(qū)起始于導流墻前段，并延續(xù)到進水池，其回流區(qū)橫向?qū)挾瘸^前池寬度的1/5。水流到達前池，流速明顯增大，且前池及進水池流速分布十分不均。2號進水池流速較1號進水池流速大。

圖6為通過物理模型試驗得到的原設(shè)計方案前池、進水池面層與底層流場。從圖6可以看出，由于水閘閘門關(guān)閉，來流在引渠入口偏向泵站一側(cè)。后由于導流墻的存在，引起橫向流速，泵站前池靠導流墻一側(cè)出現(xiàn)大范圍低速回流區(qū)，且回流區(qū)一直延伸至站前。

圖6 模型試驗前池流場云圖Fig.6 Flow fields of forebay in model test

通過物理模型試驗和數(shù)值模擬2種方法均能發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計排澇工況下原方案中，導流墻左側(cè)有一個較大的回流區(qū)。進水流道前，進水主流發(fā)生了嚴重偏折。這是由于該處主流橫向流速較大，導流墻左側(cè)回流的影響，從而引起水流流動方向偏斜。由此可以看出通過數(shù)值模擬得到的回流區(qū)無論從面積大小和發(fā)生位置都和模型試驗的結(jié)果基本一致，水流流向和前池主流偏流情況也基本一致。這說明該數(shù)學模型可較準確地展示該工程流場特性，可以用于分析其他整流措施下的流態(tài)。

4 方案優(yōu)化研究

4.1 優(yōu)化方案建立

為探究合適的整流措施，設(shè)計了多個優(yōu)化方案，不同方案整流措施見表2。采用計算流體力學(CFD)仿真技術(shù)對4種整流方案前池和進水池進行流場分析。其中整流方案1的措施是在閘站間導流墻上增設(shè)1.8 m×1.8 m的通水孔；整流方案2，延長原閘站間的導流墻，同時在導流墻前部增設(shè)1.8 m×1.8 m的通水孔；整流方案3，在整流方案2的基礎(chǔ)上，在斜坡前增加了Y型導流墩。整流方案4，在整流方案3的基礎(chǔ)上增設(shè)了和中隔墩同寬的沿流向?qū)Я骺?，形成組合式整流。各整流措施布置圖及尺寸等如圖7所示。

表2 不同方案整流措施Table 2 Rectification measures of different schemes

圖7 泵站前池整流措施示意圖Fig.7 Schematic diagram of flow-rectifying measures for forebay of pumping station

4.2 優(yōu)化方案分析

4.2.1 流場分析

為了直觀地反映前池、進水池的流態(tài)，通過數(shù)值模型得到了各方案對應的面層流線圖及底層流場云圖(如圖8所示)，并與原方案進行對比分析。

圖8 各方案軸向速度分布流線Fig.8 Streamlines of axial velocity of each scheme

各方案導流墻右側(cè)，即節(jié)制閘前所在區(qū)域，均存在一個大范圍的回流區(qū)，該區(qū)域水流繞過導流墻流入泵站前池。比較圖8(a)、8(b)可以看出：無整流措施時，主流被回流區(qū)嚴重壓迫，造成主流偏移。采取了整流方案1，通過在閘站結(jié)合處的導流墻上開設(shè)通水孔，有效縮小了回流的范圍，減小了其對泵站進水流道進口流態(tài)的影響。這是由于水流通過通水孔后產(chǎn)生翻滾，形成小范圍漩渦，減弱原有回流強度，起到改善偏流的作用。1號進水流道前，前池水流方向基本不再偏斜，水流較為順直；但2號進水流道前，前池水流偏折仍然較為嚴重，導流墻左側(cè)的回流仍然可見。整流方案1對于改善前池流態(tài)有一定幫助，但仍不能滿足要求。

為了進一步優(yōu)化前池流態(tài)，采取了整流方案2，延長原閘站間的導流墻，同時在導流墻前部增設(shè)1.8 m×1.8 m的通水孔。比較圖8(b)、8(c)可以看出，導流墻左側(cè)的回流發(fā)生位置前移，位于導流墻前部，遠離進水流道，發(fā)生范圍得到進一步縮小。水流在各進水流道前基本趨于順直，前池水流方向不再嚴重偏斜，水流順直情況得到進一步改善。

從圖8(d)、8(e)可以看出：整流方案3、4，無論是在斜坡前再增設(shè)Y型導流墩，還是Y型導流墩、沿流向?qū)Я骺埠屯ㄋ姿纬傻慕M合式整流措施，都對前池流態(tài)起到了非常良好的整流效果。由于Y型導流墩的分流挑流作用和沿流向?qū)Я骺驳恼?，使得前池水流能夠很好地進行重新調(diào)整。同時使得導流墻左側(cè)的回流范圍進一步縮小，過流能力得到提高，流速分布更加均勻，偏流現(xiàn)象基本消失。

4.2.2 流速均勻度分析

流道進口斷面的流速均勻性是評判前池和進水池整流效果的重要指標。為了分析前池水流對流道進口斷面流速的影響，引入流速分布均勻度Va的概念，對泵站前池整流效果進行評價，其計算表達式為

經(jīng)計算，各方案的流道進口斷面流速分布均勻度如表3所示。從表3可以發(fā)現(xiàn):由于主流偏折，在原方案中，2號流道右側(cè)進口斷面的軸向速度分布均勻性最差，2號流道左側(cè)的軸向速度分布均勻性也受到影響;1號流道進口斷面軸向速度分布較為均勻。4種優(yōu)化方案均改善了2號進水流道的流速均勻度且1號流道流速均勻度較好。Y型導流墩和沿流向?qū)Я骺财鸬搅苏髯饔?，其改?號右側(cè)進水池流態(tài)的同時也對2號左側(cè)進水池產(chǎn)生影響，2號流道左右側(cè)斷面軸向速度分布均勻度分別提高了3.51和7.16個百分點。

表3 各方案流道進口斷面上的軸向流速分布均勻度Table 3 Uniformity of axial velocity distribution in the inlet section of each scheme

表3的計算結(jié)果表明，1號流道進口斷面和2號流道右側(cè)進口斷面上的軸向流速分布均勻度較好。為進一步判定整流效果，圖9給出了各整流措施下，2號流道左側(cè)進口斷面上的軸向速度云圖。發(fā)現(xiàn)無整流措施時，該斷面上高速區(qū)發(fā)生偏移，位于斷面左側(cè)，右側(cè)速度梯度明顯小于左側(cè)，這是由于主流偏折導致的。采取整流方案1時，斷面流速分布得到改善，高速區(qū)向斷面中間移動，但總體仍偏向左側(cè)。分別采取整流方案2、3、4后，流速分布得到了明顯改善，高速區(qū)基本位于斷面的中心，且斷面流速梯度得到一定程度的優(yōu)化。由此可見，優(yōu)化整流方案能對前池、進水池流態(tài)起到良好整流效果，其中組合式整流方案，具有明顯的優(yōu)越性。

圖9 各方案水泵進口斷面上的軸向流速云圖Fig.9 Axial velocity contours of water pump inlet section in each scheme

5 推薦方案驗證

根據(jù)數(shù)值模擬可知：優(yōu)化方案中，整流措施1—4均對前池及進水池流態(tài)起到改善作用，其中組合式整流措施總體整流效果較好。

為進一步定量分析數(shù)值計算的可靠度，評估優(yōu)化效果，對組合式整流方案在相同工況下(閘門關(guān)閉，兩臺機組同開，達到設(shè)計排澇流量)進行了模型試驗，并選取與原設(shè)計方案下相同位置測量其流速，從右往左也依次標記為A、B、C、D 4個特征點，進行多次測速。

由表4可以看出，數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果整體趨勢基本一致，相對誤差較小。4個測點數(shù)值模擬軸向速度和物理模型試驗測得對應軸向流速最大相對誤差為7.4%，最小為0.64%。物理模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果一致，數(shù)值模擬結(jié)果可靠。優(yōu)化后，原設(shè)計方案中2號進水池兩側(cè)流速偏差度由原來的12.63%下降為3.47%，均勻性大大提高，表明優(yōu)化方案對改善前池和進水池不良流態(tài)是有效的。同時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化后設(shè)計流量時，前池回流區(qū)縮小，主流順直，進水池內(nèi)無明顯吸氣渦產(chǎn)生。且在單臺機組運行時，前池內(nèi)漩渦基本消除，水泵進流得到明顯改善。

表4 軸向流速數(shù)值計算誤差分析Table 4 Error analysis for numerical calculation of axial velocity at each measuring point

6 結(jié) 論

以某閘站為研究對象，針對閘站結(jié)合式水利樞紐，其前池、引渠較短，進流條件較差的水利工程，利用物理模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對其前池和進水池流態(tài)進行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)當閘門關(guān)閉，兩臺機組同開，在設(shè)計排澇工況下，模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，泵站前池靠近導流墻一側(cè)，存在大范圍的回流區(qū)，引發(fā)了前池的不良流態(tài)，進而嚴重影響了進水池的流態(tài)，對水泵的穩(wěn)定運行極為不利，需進一步優(yōu)化。

(2)與原方案相比，延長閘站間導流墻并在其墻上開孔亦或增加Y型導流墩、沿流向?qū)Я骺驳却胧?，能有效改善導流墻后回流產(chǎn)生的橫向斜流。

(3)在閘站結(jié)合處導流墻上開設(shè)通水孔、在泵站前池內(nèi)設(shè)置Y型導流墩和沿流向?qū)Я骺菜纬傻慕M合式整流措施，對前池流態(tài)改善效果顯著?？缮弦撇⒖s小回流區(qū)的范圍，改善主流偏流，提高進水流道進口流速均勻度。