吳阮彬

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

0 引 言

泵站的正常工作直接關(guān)系到輸送水流的效率，進(jìn)水前池對(duì)泵站正常工作起到關(guān)鍵作用，進(jìn)水前池可以將水流引導(dǎo)入進(jìn)水口，其水流流態(tài)的穩(wěn)定是至關(guān)重要的。

目前，關(guān)于泵站進(jìn)水池水流流態(tài)已經(jīng)有大量的專家學(xué)者開展了相關(guān)的研究，并取得豐碩的研究成果。LI 等[1]采用PIV 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析法，分析得出水流流態(tài)的流線、流速、強(qiáng)度、渦度等水流指標(biāo)，并結(jié)合相關(guān)案例分析得出最佳的流動(dòng)條件；SUERICH-GULICK等[2]提出了一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要是通過水流內(nèi)部的流態(tài)測(cè)算，進(jìn)而判斷得出渦流的水流特征；TEMMERMAN等[3]采用大渦模擬湍流，利用流體力學(xué)的相關(guān)理論，分析了流體的速度分布特征，將計(jì)算結(jié)果與ANSAR與NAKATO的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；Yongle等[4]利用大渦模擬技術(shù)對(duì)某實(shí)際水利工程的泵站進(jìn)水池水流流態(tài)進(jìn)行了相關(guān)的研究，采用MAC迭代法，計(jì)算得到近壁面流場(chǎng)的最優(yōu)解；YU等[5]改進(jìn)了SSTk-γ模型，對(duì)比分析了改進(jìn)后的SSTk-γ模型與SSTk-γ模型，分析得出改進(jìn)的模型對(duì)水流流態(tài)具有更好的模擬效果；高傳昌等[6]對(duì)超低水位下的進(jìn)水池模型的水流流態(tài)模型進(jìn)行分析，并進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到最優(yōu)解，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證；資丹等[7]分析了邊界層網(wǎng)格尺度對(duì)于泵站水流流態(tài)的影響，利用不同的網(wǎng)格尺度進(jìn)行模擬研究；陸林廣等[8]對(duì)某大型水利工程的泵站進(jìn)行了研究，分析該泵站水流的三維流動(dòng)及水力損失，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算。

基于前人的研究基礎(chǔ)，本研究擬采用Realizable-ε湍流模型對(duì)不同流速的水流建立數(shù)值分析模型，分析水流的喇叭管下方速度分布、水流流動(dòng)特性。

1 計(jì)算模型

1.1 控制方程

N-S是流體研究中較為重要的控制方程，在泵站中，進(jìn)水前池的流動(dòng)方程為連續(xù)性方程，該運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

(2)

1.2 邊界條件

對(duì)于水流模型的邊界條件設(shè)置見表1。

表1 水流模型邊界條件

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格單元的劃分直接影響流體模擬的精度和計(jì)算性能，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐州^少，模擬的精度較低；網(wǎng)格單元?jiǎng)澐州^多，計(jì)算所需的資源較多。結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐譃榉墙Y(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格單元，主要是由于泵站的前池進(jìn)口斷面水流較為復(fù)雜，且在局部區(qū)域需要對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行加密處理。計(jì)算方法主要采用有限體積法、二階迎風(fēng)格式隱式求解法、SIMPLEC算法，以達(dá)到計(jì)算網(wǎng)格單元的離散化、精準(zhǔn)度、耦合等作用效果，采用這些計(jì)算方法結(jié)合的理論基礎(chǔ)更有利于流場(chǎng)單元的耦合。

1.4 建立模型

本研究建立的數(shù)值分析模型與原泵站的比例為1∶1，建立模型的參數(shù)見表2。取模型中的前池及進(jìn)水池作為分析對(duì)象，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐譃榉墙Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元，對(duì)于網(wǎng)格的加密，本研究對(duì)模型的局部進(jìn)行加密，分別為擴(kuò)散角變化處、水泵進(jìn)水口位置及其周邊位置處。前池的進(jìn)出口分別為渠道漸變段與前池連接處、進(jìn)水池水泵進(jìn)水喇叭口處；對(duì)于模型的其它表面，將自由表面簡(jiǎn)化為對(duì)稱面，而對(duì)于非自由表面，將不考慮其表面波動(dòng)。

表2 模型的參數(shù)

1.5 模型驗(yàn)證

模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系模型在運(yùn)行過程中模擬結(jié)果的正確性，本研究采用超聲波多普勒流速監(jiān)測(cè)儀，對(duì)泵站前池的水流流速進(jìn)行測(cè)量。該監(jiān)測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏性能較高，對(duì)于非紊流或非均質(zhì)水流的抗干擾能力強(qiáng)，適用性較強(qiáng)(尤其是超強(qiáng)流以及微弱流與其它儀器對(duì)比具有很好的監(jiān)測(cè)效果)，對(duì)泵站前池建立直角坐標(biāo)系，將前池劃分為160個(gè)監(jiān)測(cè)模塊，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖1。在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)傳感器，得到不同深度位置處的傳感器監(jiān)測(cè)值，各測(cè)點(diǎn)的流速分布主要為0～1.06 m/s之間，分別將水深為1.0和2.0 m的水流典型特征水流流速監(jiān)測(cè)的結(jié)果在相應(yīng)部位進(jìn)行擬合，得到水流等流圖，見圖2。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 水流等流圖

由圖2可知，在Ⅰ區(qū)域，深度為1 m和深度為2 m時(shí)，左側(cè)的流速總體上比右側(cè)的流速大，對(duì)比1 m和水深為2 m的區(qū)域，當(dāng)水深為1 m時(shí)流速較小的右側(cè)區(qū)域到2 m即轉(zhuǎn)變?yōu)殪o水狀態(tài)；對(duì)于區(qū)域Ⅱ水深為1 m和2 m的位置流速均較小，且兩個(gè)位置均存在漩渦區(qū)域，并且以水深為1 m時(shí)的水流最為明顯；對(duì)于區(qū)域Ⅲ，流速較左側(cè)較大，但也存在漩渦，且流速越大，低速區(qū)的面積越大。對(duì)比分析可得，機(jī)組打開的區(qū)域相較于機(jī)組未打開的區(qū)域，兩者流速前者較大，且對(duì)于側(cè)壁位置處的水流，均有明顯的向左側(cè)旋流的趨勢(shì)，這樣的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)較為吻合。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 喇叭管下方速度分布分析

將水流模型劃分為3種工況，且3種工況僅存在流量不同的差異，且流量由工況一至工況三逐漸增大。利用Realizable-ε湍流模型測(cè)定3種工況下的流速，見圖3。圖3中的Vx、Vy、Vz分別為X、Y、Z方向上的流速，圖3中的Ly代表測(cè)點(diǎn)距喇叭口的距離。

分析圖3(a)中的數(shù)據(jù)可以看出，Vx模擬值與 實(shí)測(cè)值基本相同，數(shù)值之間差別不大，近壁處位置的流速梯度隨著流量的增大呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)，對(duì)于遠(yuǎn)壁處位置的的流速梯度在X方向上變化幅度較大，總體分析，對(duì)于工況一-工況三的3種工況，Vx的變化趨勢(shì)較為相似；分析圖3(b)中的數(shù)據(jù)可以看出，Y方向上的流速變化趨勢(shì)表現(xiàn)為沿著Y軸先增大再減小，Vy值先為正、再為負(fù)，分布于喇叭口測(cè)線的兩側(cè)，在1/3Ly位置處出現(xiàn)最大值，在3/4Ly位置處出現(xiàn)最小值；分析圖3(c)中的數(shù)據(jù)可以看出，3種工況下Z方向上的流速變化趨勢(shì)基本相同，由于壁面效應(yīng)的影響，在喇叭口兩側(cè)速度逐漸降低。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于利用Realizable-ε湍流模型測(cè)定3種工況下流速的模擬值與實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，模擬工況與實(shí)際值吻合效果較好。

圖3 3種工況下的流速模擬結(jié)果

2.2 水流流動(dòng)特性分析

平行水流、垂直水流方向的水流流速分布特征見圖4、圖5。對(duì)于前池整個(gè)區(qū)域，均存在渦流現(xiàn)象，對(duì)于渦流主要可以分為3個(gè)模塊：靠近進(jìn)口端、靠近前池中部、前池尾部，3個(gè)區(qū)域的渦流特征分別為：靠近進(jìn)口端的渦流較長(zhǎng)，是一種較為湍急的渦流，主要分布在進(jìn)水口兩邊側(cè)壁；靠近前池中部的渦流較短，流速分布較為相似，主要分布于取水前池的中部和下部；前池尾部的渦流長(zhǎng)度適中，呈現(xiàn)出周期性的分布特征，主要分布于水流的表面，受到下部水流的影響較小。在取水喇叭口位置較為容易出現(xiàn)渦流，渦流的位置主要位于水流方向以及取水喇叭口中心線，渦流的長(zhǎng)度逐漸減小，呈現(xiàn)出緩慢變化的變化趨勢(shì)。對(duì)于右端渦流，搓動(dòng)現(xiàn)象較為明顯，旋轉(zhuǎn)方向表現(xiàn)為沿著切向旋轉(zhuǎn)，并呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)，并帶動(dòng)周邊的水流形成新的渦流帶，該新的渦流帶沿著水流的垂直方向逐漸減弱。在在喇叭口前端位置處，渦流表現(xiàn)為不均勻的變化狀態(tài)，在喇叭口前口后部位置處與前池位置處的水流逐漸混雜，表現(xiàn)為向上翻滾的變化趨勢(shì)，且水流逐漸傾斜，產(chǎn)生較大的二次沖擊作用力，水流規(guī)律性較弱，不同工況的取水口底部渦流的變化趨勢(shì)不明顯，這主要是受取水口位置處的水流影響導(dǎo)致的，水流的變化也呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性和不間斷性，前端取水受前池流態(tài)的影響較大。

圖4 平行水流方向的水流流速分布特征

圖5 垂直水流方向的水流流速分布特征

3 結(jié) 論

本研究基于Realizable-ε湍流模型對(duì)不同流速的水流建立數(shù)值分析模型，針對(duì)水流的喇叭管下方速度分布、水流流動(dòng)特性進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

1) 基于Realizable-ε湍流模型與超聲波多普勒流速監(jiān)測(cè)儀，對(duì)泵站前池的水流流速進(jìn)行測(cè)量，所得到的結(jié)果存在微小的差別，但整體變化趨勢(shì)基本相同，Realizable-ε湍流模型的準(zhǔn)確度較高。

2) 喇叭口兩側(cè)與吸入喇叭口的水流相互影響，出現(xiàn)了較多的渦流，在取水口底部位置處也帶動(dòng)引起較多湍流，這會(huì)對(duì)泵站管道的水流產(chǎn)生一定的影響，水流的結(jié)構(gòu)尺寸是一個(gè)較為重要的影響因素。

3) 由于進(jìn)水池兩端側(cè)壁的流速比中間的水流流速小，進(jìn)而引起中間位置出現(xiàn)淤泥，在進(jìn)行水流模擬過程中未考慮水流淤堵的作用，因而數(shù)值模擬分析的流速結(jié)果稍大。