錢華港，蔡林濤，李 娜，孫承祥

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京100054；3.江蘇省通榆河薔薇河送清水工程管理處，江蘇淮安223005）

0 引言

泵站前池的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足水流順暢、流速分布均勻、池內(nèi)不產(chǎn)生渦流的要求［1］。對于流態(tài)相對較好的正向進(jìn)水泵站，前池?cái)U(kuò)散角的合理取值范圍為20°～40°之間。但一些城市排澇泵站由于受場地布置等原因的影響，存在擴(kuò)散角過大等問題，導(dǎo)致前池內(nèi)流態(tài)紊亂，影響泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致機(jī)組及泵站振動，影響安全運(yùn)行。在采用大擴(kuò)散角前池進(jìn)水的正向進(jìn)水泵站前池內(nèi)，由于水流從引河進(jìn)入前池時(shí)流速較大，主流集中，使得主流在前池內(nèi)不能及時(shí)擴(kuò)散，伴隨出現(xiàn)有脫流、回流和旋渦等不良水流現(xiàn)象［2-3］，對于兩側(cè)進(jìn)水池甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的側(cè)向進(jìn)水的現(xiàn)象，影響進(jìn)水池內(nèi)的水流流態(tài)。在泵站前池研究領(lǐng)域，研究人員主要采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算兩種方法開展研究，并得了大量的研究成果。羅燦［4］等研究結(jié)果表明，在距進(jìn)水池口（7～10）D處設(shè)置0.3 倍水深的底坎整流效果較好。周龍才［5］等認(rèn)為對于大擴(kuò)散角前池，有必要通過加設(shè)整流措施改善不良流態(tài)，并建議泵站在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)對稱開啟中間機(jī)組。黃繼紅［6］等通過設(shè)置導(dǎo)流墩的方式，改善了大擴(kuò)散角泵站前池內(nèi)存在的不良流態(tài)。劉梅清［7］等研究前池內(nèi)的旋渦分布，設(shè)計(jì)導(dǎo)流墩整流方案改善流態(tài)。劉承［8］等研究結(jié)果表明，曲線導(dǎo)流墩對來流的導(dǎo)向效果較好，有利于改善泵站的取水條件。羅海軍［9］等研究結(jié)果表明，前池進(jìn)流在受到導(dǎo)流墩、橫梁以及消渦板的綜合整流作用下，顯著改善了前池和進(jìn)水池的水流流態(tài)。XU［10］等通過采用導(dǎo)流墩和壓力板兩項(xiàng)防淤措施對大型泵站的前池流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，流態(tài)優(yōu)化效果明顯。SONG［11］等建議增設(shè)“T”型導(dǎo)流墩作為泵站的流量控制措施。本文的研究對象為前池?cái)U(kuò)散角度達(dá)到55°的大擴(kuò)散角泵站前池，采用楔形導(dǎo)流墩的整流措施，設(shè)計(jì)整流方案，運(yùn)用CFX 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，搭建水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yàn)證整流方案的合理性并選擇最優(yōu)的整流措施。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 幾何建模

某泵站設(shè)計(jì)流量10 m3/s，安裝4臺口徑900 mm 立式軸流泵機(jī)組，采用開敞式進(jìn)水池，正向進(jìn)水前池，前池?cái)U(kuò)散角55°。

選用UG 軟件建立泵站進(jìn)水建筑物的三維模型。圖1 為該大擴(kuò)散角泵站的進(jìn)水建筑物結(jié)構(gòu)布置圖及三維模型圖，1～4 號進(jìn)水池位置如圖所示。圖中X方向?yàn)樗眠M(jìn)水（順?biāo)鳎┓较?，Y方向?yàn)榇怪彼鞣较?，Z方向?yàn)榇怪彼娣较颍韵蛏蠟檎较颉?/p>

圖1 泵站進(jìn)水建筑物示意圖Fig.1 Schematic diagram of the influent structure for pumping station

1.2 控制方程及湍流模型

在本文選取的模型中，泵站前池直接與大氣相通，可將前池內(nèi)的水流視為不可壓縮、黏性流動的黏性湍流進(jìn)行三維模擬。

連續(xù)性方程：

式中：ui分別為x，y，z軸上的速度分量。

動量方程：

式中：ρ是流體密度；t是時(shí)間；p是壓力；g為重力加速度；v為水的運(yùn)動黏性系數(shù)；vt為紊動黏性系數(shù)。

對于數(shù)值模擬計(jì)算紊流模型的選取，分別使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε，RNGk-ε，SSTk-ε，SSG 四種紊流模型對原始方案進(jìn)行計(jì)算。分析收斂曲線可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與SSTk-ε模型均收斂穩(wěn)定，收斂效果較好，但SSTk-ε模型的收斂速度慢于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε模型和SSG 模型在現(xiàn)有計(jì)算模型中無法達(dá)到收斂效果，因此在本文的數(shù)值模擬計(jì)算中，將基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

根據(jù)泵站進(jìn)水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)將其模型整體分為3 個部分（引河、前池及進(jìn)水池），為提高網(wǎng)格質(zhì)量，對模型的3個部分分別采用0.05、0.025、0.012 5 m 的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，以滿足計(jì)算要求。圖2是原始方案模型在不同網(wǎng)格數(shù)量級下的水力損失變化曲線圖。結(jié)果表明，原始方案下，當(dāng)模型的網(wǎng)格數(shù)量超過110萬個時(shí)，水力損失的變化較小。為了提高計(jì)算效率，在后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算中，確定網(wǎng)格數(shù)量為110萬個左右。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量下的水利損失Fig.2 Hydraulic loss with different mesh quantities

1.4 邊界條件

在本文的數(shù)值模擬計(jì)算中，對模型采用的邊界條件和參數(shù)分別如下：

（1）進(jìn)口邊界：取用質(zhì)量流進(jìn)口，中等紊流強(qiáng)度Tu=5%。

（2）出口邊界：以水泵出水流道出口為出口邊界，出口斷面與水流方向垂直，出口條件為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

（3）壁面邊界：將引河、前池及進(jìn)水池處的邊壁和底部視為無滑移的光滑壁面，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

（4）自由液面：引河、前池和進(jìn)水池的水流表面均為自由液面，忽略空氣對水面的切應(yīng)力作用，計(jì)算時(shí)選用“剛蓋假定”［12］，將自由液面設(shè)為對稱邊界。

2 特征斷面及評價(jià)指標(biāo)

2.1 特征斷面

本文在數(shù)值模擬計(jì)算中，在前池內(nèi)選出兩個水平剖面和一個垂直縱剖面作為特征斷面，數(shù)值模擬后，繪制特征斷面的流態(tài)流場圖，計(jì)算出流態(tài)評價(jià)指標(biāo)。如圖3，垂直于主流方向的垂直縱剖面A 斷面，通過計(jì)算能夠定量分析進(jìn)水池進(jìn)口斷面的流速均勻度和加權(quán)平均角度。水平剖面取兩個特征剖面，分別為面層、底層，能夠觀察進(jìn)水池內(nèi)不同層面產(chǎn)生的流態(tài)。

圖3 特征斷面示意圖Fig.3 Feature section diagram

2.2 評價(jià)指標(biāo)

選用特征斷面速度分布均勻度Vu作為評價(jià)指標(biāo)評判整流效果。斷面流速分布均勻度Vu的理想值為100%，數(shù)值越高則特征斷面處流速分布越均勻。流速均勻度計(jì)算公式［13］為：

式中：Vai為斷面各節(jié)點(diǎn)的軸向速度；Vau為軸向速度分布均勻度；Va為斷面平均軸向速度；n為節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

斷面速度加權(quán)平均角度是衡量特征斷面上橫向流速的重要指標(biāo)。θ值的理想值為90°。速度加權(quán)平均角的計(jì)算公式為：

式中：θ為斷面速度加權(quán)平均角度；Vti為斷面第i個單元的橫向速度。

3 數(shù)值模擬方案

3.1 原始方案

水流從引河段正向流入前池，圖4為原始方案下的流線圖，該方案前池內(nèi)未施加任何整流措施。表1為原始方案進(jìn)水流道斷面的流速均勻度和加權(quán)平均角數(shù)值。

表1 原始方案各進(jìn)水流道A斷面流速均勻度和加權(quán)平均角數(shù)值Tab.1 Axial velocity uniformity and weighted average angle on section A of the original scheme

圖4 原始方案流線圖Fig.4 Streamline diagram of the original scheme

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，水流在進(jìn)入前池后無法及時(shí)充分地?cái)U(kuò)散，導(dǎo)致前池兩側(cè)水流脫壁產(chǎn)生回流，在前池兩側(cè)邊壁處出現(xiàn)旋渦，旋渦面積由面層至底層逐漸增大，甚至出現(xiàn)進(jìn)水流裹挾旋渦進(jìn)入進(jìn)水池，在1號和4號進(jìn)水池前端形成旋渦和低流速區(qū)。

綜合表1 和圖4 可知，2 號和3 號進(jìn)水池特征斷面的流速均勻度和加權(quán)平均角度較高，而1 號和4 號進(jìn)水池較低，主要原因是受前池兩側(cè)邊壁處旋渦回流區(qū)和進(jìn)水流在進(jìn)水池前發(fā)生橫向擴(kuò)散的影響，壓縮了1 號和4 號進(jìn)水池的進(jìn)水空間，形成側(cè)向進(jìn)水的現(xiàn)象，導(dǎo)致隔墩進(jìn)口處水流側(cè)向進(jìn)入，引起進(jìn)水池內(nèi)發(fā)生水流偏斜的不良流態(tài)。

3.2 整流措施方案的設(shè)計(jì)

針對大擴(kuò)散角泵站存在的不良流態(tài)，本文共設(shè)計(jì)了如表2所示的6種楔形導(dǎo)流墩整流方案，通過調(diào)整整流措施位置、尺寸與組合方式，改善前池內(nèi)存在的不良流態(tài)。表2 中D為水泵吸水管直徑。

表2 整流方案Tab.2 Rectification schemes

楔形導(dǎo)流墩的具體尺寸及布置見圖5。各方案中楔形導(dǎo)流墩高度均從引河底向上0.2倍水深處向下延伸至前池底面。

圖5 整流方案示意圖Fig.5 Drawings of rectification measurea for schemes

3.3 整流措施方案的數(shù)值模擬

A 斷面處1 號和4 號進(jìn)水池流速分布均勻度和加權(quán)平均角計(jì)算結(jié)果示于表3。圖6為各方案流線圖。

表3 各整流方案斷面流速均勻度和加權(quán)平均角數(shù)值Tab.3 Axial velocity uniformity and weighted average angle on section for each scheme

綜合表3和圖6可見，方案1在泵站前池進(jìn)口處可以很好地起到分流作用，高速水流徹底消除了前池兩側(cè)旋渦，提高了1號和4號進(jìn)水池的斷面流速均勻度和流速加權(quán)平均角。但由于楔形導(dǎo)流墩尺寸、位置等因素選擇不合理，在導(dǎo)流墩后形成大面積的低流速區(qū)，流態(tài)紊亂，在進(jìn)水池中出現(xiàn)嚴(yán)重偏流現(xiàn)象。

圖6 各整流方案流線圖Fig.6 Streamline diagram of various rectification schemes

方案2：由于導(dǎo)流墩變小，在1 號和4 號進(jìn)水池內(nèi)側(cè)邊壁處已開始出現(xiàn)小范圍的低流速區(qū)；在2 號和3 號進(jìn)水池中的低流速區(qū)面積有所減小，斷面流速均勻度有一定程度的提升，但仍存在較為嚴(yán)重的偏流。

方案3：該方案能夠有效地減小進(jìn)水池前端的低流速區(qū)，1號和4 號進(jìn)水池的斷面流速均勻度有小幅度的提升，但由于導(dǎo)流墩尺寸過小，分流效果減弱，對前池兩側(cè)的旋渦區(qū)影響較小，1號和4號進(jìn)水池面層仍然存在偏流現(xiàn)象，整流效果不佳。

方案4：該方案在不影響2號和3號進(jìn)水池中水流流態(tài)的同時(shí)，對前池內(nèi)旋渦范圍有明顯的壓縮，減小了旋渦區(qū)面積，同時(shí)1 號和4 號進(jìn)水池的斷面流速均勻度提升較大；但由于旋渦區(qū)沒有得到完全消除，面層水流仍存在偏流現(xiàn)象。

方案5：對比方案4，面層和底層的低流速區(qū)面積都有所增加，壓縮了1 號和4 號進(jìn)水池前端的進(jìn)水空間，面層水流仍存在嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象。

方案6：該方案下水流在進(jìn)入前池時(shí)能在導(dǎo)流墩的引導(dǎo)下快速地?cái)U(kuò)散，較好的貼合在前池兩側(cè)邊壁上，避免了旋渦區(qū)的產(chǎn)生，1 號至4 號進(jìn)水池內(nèi)水流流態(tài)平順穩(wěn)定，斷面處的流速均勻度均得到了大幅度提升，各進(jìn)水池的斷面流速均勻度和加權(quán)平均角分布較為平均，有效地改善了該泵站的進(jìn)水流態(tài)。

4 模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用模型試驗(yàn)的方法對泵站前池及進(jìn)水池進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，將原始方案及最佳整流方案結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

4.1 模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本文中所建立的水力模型包括引河、前池、進(jìn)水池、進(jìn)水管等進(jìn)水建筑物，以1∶15 的模型比尺建立水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)中，在相應(yīng)管道上安裝電磁流量計(jì)，測得各泵的流量，并通過閘閥控制確保各個泵的流量相同。模型試驗(yàn)中，通過選用泡沫懸浮粒子，使其懸浮于水流表面，水流流動時(shí)懸浮粒子隨著水流移動表征面層水流流態(tài)。對于底層流態(tài)，通過在前池底部設(shè)置絲線，表征出水流的流動方向。試驗(yàn)裝置平面布置圖和實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)裝置圖Fig.7 Diagram of model test facility

4.2 原始方案

原始方案下，將實(shí)拍圖繪制出流線圖如圖8所示，便于與數(shù)值模擬流線圖進(jìn)行比對分析。

在原方案下，對比模型試驗(yàn)流線圖（圖8）與數(shù)值模擬流線圖（圖4），考慮到誤差的影響，兩者結(jié)果基本相同。

圖8 原始方案流線圖Fig.8 Streamline diagram of the original scheme

4.3 最佳整流方案

通過比較數(shù)值模擬的6 個方案，方案6 可以取得最佳整流效果。在模型試驗(yàn)中，導(dǎo)流墩后出現(xiàn)小面積的旋渦區(qū)，在進(jìn)水池進(jìn)口處得以消除，對各個進(jìn)水池中的流態(tài)未造成影響。采取整流方案6的模型試驗(yàn)流線圖如圖9所示。

圖9 最佳方案流線圖Fig.9 Streamline diagram of the best scheme

在方案8 下，對比模型試驗(yàn)流線圖（圖9）與數(shù)值模擬流線圖（圖4），模型試驗(yàn)的結(jié)果基本與數(shù)值模擬一致，驗(yàn)證了整流方案的合理性。

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了在前池內(nèi)加設(shè)楔形導(dǎo)流墩對前池內(nèi)流態(tài)的改善效果。結(jié)果表明：采用多個楔形導(dǎo)流墩組合的方式為最佳的整流方案，當(dāng)在前池進(jìn)口處布置一個頂角角度為90°，底邊長度為1.2D的楔形導(dǎo)流墩，在其后2D處布置兩個相距3.2D的對稱式楔形導(dǎo)流墩時(shí)，可以取得最佳整流效果?！?/p>