張新嬌

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

引渠、前池、進(jìn)水池屬于泵站進(jìn)水建筑物[1]，建在泵站前部。進(jìn)水建筑物的合理的設(shè)計(jì)可以為泵站提供良好的進(jìn)水條件，提高泵站的運(yùn)行效率和抗汽蝕性能[2]。規(guī)范[3]規(guī)定進(jìn)水段的布置應(yīng)盡量順直，以保證進(jìn)水流態(tài)穩(wěn)定，水流順暢，流速分布均勻，無(wú)旋渦也無(wú)回流，否則會(huì)影響泵站高效、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至偏離設(shè)計(jì)工況，引起機(jī)組設(shè)備震動(dòng)，影響建筑物安全穩(wěn)定。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往受地形限制等因素導(dǎo)致閘站結(jié)合的排澇樞紐布置緊湊，尤其引渠段位于河道彎道段會(huì)導(dǎo)致排澇泵站運(yùn)行時(shí)進(jìn)水流態(tài)更加復(fù)雜，需要采取適當(dāng)?shù)恼鞔胧┻M(jìn)行改善。張松達(dá)等[4]提出調(diào)整前池底坡坡度消除前池橫軸回流現(xiàn)象；楊明會(huì)等[5-7]提出在前池設(shè)置導(dǎo)流墩整流措施；李志祥等[8]提出在前池設(shè)置底坎整流措施，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；趙智磊等[9]提出調(diào)整泵站進(jìn)水河道中心線和泵站進(jìn)水池中心軸線的不同夾角優(yōu)化流態(tài)；朱偉軍[10]提出在前池設(shè)置立柱改善前池水流形態(tài)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于數(shù)值模擬計(jì)算提出某彎道河段泵閘站進(jìn)水流態(tài)改善措施。

1 工程概況

某排澇項(xiàng)目受限于周邊現(xiàn)狀高速公路、擬建鐵路、填海工程及海岸線限制，排澇泵站與自排閘共同組成的排澇樞紐布置在河道北出口河道彎道處，且泵站前池距離上游高速橋墩約12～48m。根據(jù)水閘水力條件，水閘布置在北側(cè)，泵站布置在南側(cè)，水閘和泵站并列布置，總布置寬度約140m，泵站布置寬度50m，水閘布置約73m，中間設(shè)置17m寬導(dǎo)流島。樞紐總平面布置如圖1所示。

為了分析位于河道彎段排澇泵站進(jìn)水流場(chǎng)流態(tài)，了解不同運(yùn)行水位、流量條件下的水流運(yùn)動(dòng)特性以及泵站運(yùn)行時(shí)對(duì)上游高速橋墩的影響，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考依據(jù)，對(duì)排澇樞紐泵站工程進(jìn)行數(shù)值模型計(jì)算研究。

2 數(shù)值模型及計(jì)算方法

2.1 計(jì)算區(qū)域及幾何建模

排澇泵站設(shè)計(jì)排澇流量為117.0m3/s，選用4臺(tái)豎井貫流泵。泵站前池采用正向進(jìn)水形式，總長(zhǎng)20.5m，底板高程由-2.0m采用1∶4斜坡降低至-6.625m；進(jìn)水池長(zhǎng)15.0m，底板高程為-6.625m；攔污柵及進(jìn)口閘段總長(zhǎng)30.0m，底板高程為-6.125m；泵房段總長(zhǎng)約33.1m。

本次計(jì)算所采用的軟件為ANSYS Fluent 19.1，采用80線程并行設(shè)置。計(jì)算區(qū)域及模型如圖2所示。根據(jù)工程情況，進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算區(qū)域總長(zhǎng)460m，寬194m。入口由干流和支流組成，干流和支流的流量分流比分別為0.813和0.187。出口由4臺(tái)水泵組成，分別記為1#、2#、3#、4#。外環(huán)高速段橋墩位于模型中間位置，分別命名為1—16。主、支流入口及水泵流道出口位置分別設(shè)置為質(zhì)量流量入口(mass-flow-inlet)和質(zhì)量流量出口(mass-flow-outlet)。

圖2 計(jì)算區(qū)域及模型

2.2 網(wǎng)格參數(shù)及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為保證數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了混合網(wǎng)格的劃分和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，詳見(jiàn)表1，如圖3所示。

表1 網(wǎng)格參數(shù)及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

由表1知，當(dāng)Cell數(shù)量由170101增加至340232時(shí)，四號(hào)橋墩的壓強(qiáng)由5.01Pa增加至7.53Pa，差異較大；當(dāng)Cell數(shù)量繼續(xù)增加至721523時(shí)，橋墩壓強(qiáng)為7.46Pa，與Cell數(shù)量為340232時(shí)沒(méi)有明顯差異。說(shuō)明當(dāng)Cell數(shù)量增加至340232以上時(shí)，計(jì)算結(jié)果將不隨網(wǎng)格數(shù)量發(fā)生變化，即網(wǎng)格無(wú)關(guān)。為了在保證計(jì)算準(zhǔn)確度的同時(shí)提高計(jì)算效率，本次計(jì)算采用Cell數(shù)量為340232的網(wǎng)格生成方案，最終的網(wǎng)格質(zhì)量為Minimum Orthogonal Quality=2.72470×10-1。

2.3 求解設(shè)置

具體求解設(shè)置及收斂殘差曲線見(jiàn)表2，如圖4所示。

圖4 收斂殘差曲線

3 計(jì)算工況及模擬結(jié)果

3.1 計(jì)算工況

針對(duì)排澇工況下不同單機(jī)流量及不同運(yùn)行數(shù)進(jìn)行工況組合，見(jiàn)表3。

隨著當(dāng)前信息技術(shù)的快速發(fā)展，微信、微博以及各類交友軟件都在不斷的涌現(xiàn)，這些新媒體傳播方式的出現(xiàn)，讓原本信息接受能力相對(duì)較強(qiáng)，且對(duì)于外界各種新鮮事物都充滿了好奇心的大學(xué)生極容易受到誘導(dǎo)?？梢哉f(shuō)，在現(xiàn)如今的新媒體環(huán)境下，其在給高校學(xué)生心理健康教育工作帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了較大沖擊力，因此，高校只有不斷加強(qiáng)對(duì)于心理健康教育工作的重視度，將心理健康教育和新媒體環(huán)境進(jìn)行有效的結(jié)合，才能夠更好的推進(jìn)高校學(xué)生心理健康教育事業(yè)的發(fā)展。

表3 模擬運(yùn)行工況

3.2 模型計(jì)算及分析

3.2.1上游高速橋墩計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算，在所有工況下均是外環(huán)高速段4號(hào)橋墩所受的流體沖擊力最大，見(jiàn)表4。

表4 4號(hào)橋墩所受沖擊力、壓強(qiáng)及附近流速狀態(tài)

對(duì)比所有工況，最大流體沖擊力發(fā)生在0.40m水位4泵全開(kāi)時(shí)，此時(shí)流體沖擊合力為2251.61N，4表面最大壓強(qiáng)為0.0528kPa(相對(duì)壓強(qiáng))，附近流速最大為0.75m/s。高速橋墩處河道護(hù)底為干砌石護(hù)底，不沖流速為4m/s，滿足抗沖刷要求。因此，泵站運(yùn)行時(shí)不會(huì)對(duì)高速橋墩造成較大影響。

3.2.2前池、進(jìn)水池計(jì)算結(jié)果及分析

基于不同工況進(jìn)行數(shù)值模型，并基于結(jié)果對(duì)泵站進(jìn)水池、前池的流動(dòng)狀態(tài)分析，見(jiàn)表5。

表5 不同工況下進(jìn)水池、前池流動(dòng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

高水位大流量工況下進(jìn)水段流場(chǎng)流態(tài)如圖5所示。

圖5 高水位大流量工況下進(jìn)水段流場(chǎng)流態(tài)圖

4 優(yōu)化方案分析

4.1 優(yōu)化方案擬定

為評(píng)估估導(dǎo)流墩對(duì)流場(chǎng)的影響作用，本文針對(duì)2種不同的邊界條件進(jìn)行了仿真計(jì)算，分別為質(zhì)量流量出口(出口流量相等)和壓力出口(出口靜壓為0)，計(jì)算結(jié)果如圖6—7所示。

圖6 1.65m-4泵全開(kāi)工況下出口流量相等時(shí)流場(chǎng)及出口附近壓力、速度云圖

根據(jù)圖6，流態(tài)由導(dǎo)流墩的形狀、位置以及抽水泵的吸水作用共同決定，此時(shí)流場(chǎng)中可觀察到明顯的旋渦出現(xiàn)。在此狀態(tài)下雖然每個(gè)出口的流量相等，但存在較大的壓力差異，進(jìn)而影響水泵的工作狀態(tài)。

根據(jù)圖7，流態(tài)僅由導(dǎo)流墩的形狀和位置決定。此時(shí)流場(chǎng)中沒(méi)有明顯的旋渦出現(xiàn)，但大部分流體都由3#和4#出口流出。即導(dǎo)流墩的位置對(duì)泵站區(qū)域的流態(tài)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致自然狀態(tài)下水流體分布不均。

圖7 1.65m-4泵全開(kāi)工況下出口靜壓為0時(shí)流場(chǎng)及出口附近壓力、速度云圖

通過(guò)分析導(dǎo)流墩后的旋渦形成特點(diǎn)，本文提供2種泵站區(qū)域流態(tài)優(yōu)化方案：①通過(guò)改變導(dǎo)流墩的設(shè)計(jì)位置使其前移，將泵站沿程增長(zhǎng)以使流體充分發(fā)展，進(jìn)而消除或抑制旋渦的產(chǎn)生；②將分流墩長(zhǎng)度延長(zhǎng)至旋渦產(chǎn)生的核心區(qū)域，同時(shí)將河道左岸位于外環(huán)高速處彎折段岸線設(shè)計(jì)得較為順直，通過(guò)改變流道幾何形狀的方式直接干涉旋渦的形成。

4.2 優(yōu)化方案數(shù)模驗(yàn)證

4.2.1前移導(dǎo)流墩方案

不同導(dǎo)流墩前移方案下泵站區(qū)域的流態(tài)如圖8所示。

圖8 不同導(dǎo)流墩前移方案下泵站區(qū)域的流態(tài)

隨著導(dǎo)流墩位置的前移，區(qū)域內(nèi)的旋渦逐漸減弱，說(shuō)明導(dǎo)流墩的位置對(duì)于旋渦的抑制有重要意義。

4.2.2增長(zhǎng)分流墩長(zhǎng)度，且順直岸線

該方案計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同分流墩長(zhǎng)度及不同岸線彎曲度下流場(chǎng)分布情況

分流墩位于初始位置時(shí)，流場(chǎng)中可觀察到明顯的旋渦出現(xiàn)；單純將分流墩向上游前移10m，雖然不能完全消除旋渦，但相比初始位置有較好的抑制作用；將分流墩向上游前移10m，同時(shí)結(jié)合左岸岸線的順直變更，可觀察到流場(chǎng)中旋渦已完全消失。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以河流彎道段排澇樞紐為研究對(duì)象，對(duì)不同排澇工況進(jìn)行了數(shù)值模擬和計(jì)算，得出以下結(jié)論。

(1)所有工況下，對(duì)上游高速橋墩最大流體沖擊力發(fā)生在0.40m水位4泵全開(kāi)時(shí)，距離前池最近的四號(hào)橋墩表面壓強(qiáng)最大，最大流速滿足抗沖刷要求，不會(huì)對(duì)外環(huán)高速橋墩造成較大影響。

(2)優(yōu)化前，各種抽排工況下導(dǎo)流堤后均存在漩渦，流速分布不均。

(3)為了抑制旋渦的產(chǎn)生，提出了2個(gè)優(yōu)化方案，即導(dǎo)流墩位置前移和延長(zhǎng)分流墩位置至旋渦產(chǎn)生核心區(qū)同時(shí)順直左岸岸線，均有效抑制或消除了旋渦，可根據(jù)工程實(shí)際可操作性，選擇適合的方案。