泵站前池隔墩整流的數值分析

周龍才

泵站前池隔墩整流的數值分析

周龍才

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

泵站前池擴散角過大會在池中形成邊側回流，惡化水泵的進水條件，因此一般需要研究適當的整流措施。應用正交曲線坐標系下的二維水深平均數學模型，對大擴散角的正向泵站前池中設置隔墩前后的流態(tài)進行了數值模擬，以分析設置隔墩的整流效果。計算中在交錯網格上對控制體積分得到離散方程，并用SIMPLEC算法求解。數值模擬表明，對所研究的泵站前池，適當設置隔墩對前池擴散角過大引起的不良流態(tài)有明顯的改善效果。

泵站；前池；隔墩；流態(tài)改善；數值模擬

泵站前池是連接引渠和進水池，使水流均勻進入進水池的構筑物。工程中常有一些正向進水前池為縮短長度而采取較大的擴散角。然而，受水流固有擴散角的限制，前池擴散角過大會在池中形成邊側回流，不僅增大了能耗，還會惡化水泵的進水條件，致使水泵效率降低，甚至引起水泵汽蝕和機組振動［1］。因此，采用較大的前池擴散角時，常需要研究適當的整流措施。以前，這類研究主要依賴于模型試驗，在許多大型泵站的設計、改造過程中，為獲得良好的前池水流流態(tài)，常對前池的布置形式以及尺寸、整流措施、運行方案等進行物理模型試驗［2，3］。而試驗資料表明，在前池中加設隔墩（或導流墻），可以避免池中產生回流，從而可以加大擴散角，減小前池長度［4］。本文通過數值模擬前池中的二維流場來分析設置隔墩的整流效果。

1 數學模型

1.1 控制方程

前池內的水流運動是三維的，但大型泵站前池的平面尺寸一般比水深大許多倍，因此可采用沿水深平均的二維淺水方程來描述水流的運動規(guī)律。為使網格貼合邊界，在此采用正交曲線坐標系下二維水流運動的水深平均方程［5］。

連續(xù)性方程：

ξ方向和η方向的動量方程：

式中：ξ，η為正交曲線坐標系中的2個正交曲線坐標；u，ν分別為ξ-η曲線坐標系下沿ξ方向和沿η方向的流速；H為水深；z為水位；n為糙率；Cξ，Cη為正交曲線坐標系中的拉梅系數，Fu，Fν為紊動粘性項。

1.2 方程的離散化方法

在交錯網格上，采用迎風格式對關于u，ν的動量方程式（2）、（3）進行控制體積內的積分，最終可以得到［6］：

1.3 壓力修正方程

設 u*，ν*，z*為原來的解，改進后的解為 u＝u*＋u′，ν＝ν*＋ν′，z＝z*＋z′，將其代入由動量離散方程式（4）、（5），可以得到：

式（4）、（5）、（6）組成關于 u，ν和 z（或 H）的離散方程組，采用SIMPLEC程式求解。而對具體的方程式（4）、（5）或（6）則采用 ADI方法求解［5］。

1.4 隔墩處理

為準確模擬隔墩的位置，計算中對隔墩附近進行了網格加密。對隔墩周圍的計算點，為體現不同水位條件時邊界位置的變化，采用了動邊界技術［7］。

2 正向進水前池流態(tài)模擬

2.1 大擴散角前池的流態(tài)

泵站前池擴散角受水流固有擴散角的限制，不能太大，否則會在兩側產生脫壁回流，如圖1所示，即為試驗得到的過大擴散角前池內的水流流態(tài)［3］。

圖1 過大擴散角前池中的回流（試驗資料）Fig.1 Return flow in a for-bay with a large divergence angle（experimental data）

在此對如圖2所示的某泵站前池進行數值模擬。泵站安裝5臺機組，前池擴散角α＝45°。計算中假定單泵運行流量不變，引渠未端水位不變。

圖2 計算前池模型圖Fig.2 The fore-bay model of calculation

圖3 、圖4是計算所得開5臺機組時的前池流速矢量圖和斷面垂線平均流速分布圖。比較圖4與圖1可以看出計算與試驗所得的前池內的流態(tài)相當吻合。因擴散角過大而在兩側引起了較大的回流區(qū)。

2.2 加設中間隔墩的整流效果

首先，考慮在前池設置隔墩（或導流墻）。圖5所示是在前池中部加設一段隔墩后計算所得的前池速度矢量圖。與圖4的流速場相比較，增加隔墩后兩側水泵的運行流態(tài)有明顯的改善，但回流位置移至中部，中間水泵的進水條件變差。

圖3 開5臺機組時的流速矢量圖Fig.3 The simulated velocity field with 5 pumps running

圖4 開5臺機組時的斷面垂線平均流速Fig.4 The simulated vertical cross-section average velocities while 5 pumps running

圖5 設中間隔墩后的速度矢量圖（開5臺機組）Fig.5 The simulated velocity field while 5 pumps running after setting separated pier in the middle of the fore-bay

2.3 加設八字形隔墩的整流效果

根據實際運行經驗，對于完全對稱布置且機組臺數為奇數的泵站前池，在擴散角過大時可以考慮在兩側對稱地布置隔墩進行整流［4］。經調算，在前池首部布置一段八字形隔墩以進行整流。圖6是設置八字形隔墩后的運行5臺水泵時的結果，流速橫向分布比較均勻，池中不再產生回流，整流效果較好。

圖6 設八字形隔墩后的速度矢量圖（開5臺機組）Fig.6 The simulated velocity field while 5 pumps running after setting separated piers

設置隔墩將對泵站各種開機狀態(tài)下的前池流態(tài)產生影響。為進一步分析設置八字形隔墩的整流效果，模擬了不同開機方案下前池內的流場。計算表明，對該泵站前池，加設八字形隔墩后在不同開機方案下前池水流流態(tài)都很平順，沒有明顯回流。

3 結 論

（1）大型泵站進水前池的平面尺寸一般遠大于水深，為此應用正交曲線坐標系下的二維水深平均數學模型對其流場進行了數值模擬。計算表明前池擴散角過大時，水流從引渠直沖向進水池中部，在前池兩側產生回流。模擬所得的回流位置和形態(tài)與試驗資料相吻合。

（2）通過對泵站進水前池加設隔墩后的流場模擬分析了加設隔墩的整流效果。計算表明對所研究的泵站前池，加設一段中間隔墩會導致中間水泵的進水條件變差；而設置八字形隔墩則有較好的整流作用，這一結論與已有的試驗結論相吻合。

（3）雖然不同泵站前池的設計尺寸不同，但本文針對前池設置隔墩整流效果的定性分析對改善泵站的進水條件具有借鑒及指導作用，并對泵站前池的設計或改造都有重要的現實意義。

［1］ 丘傳忻.泵站工程［M］.武漢：武漢大學出版社，2001：214－221.（QIU Chuan-xin.Pumping Station［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2001：214－221.（in Chinese））

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［6］ 周龍才.泵系統(tǒng)水流運動的數值模擬［D］.武漢：武漢大學，2002.（ZHOU Long-cai.Numerical simulation of the fluid flow in pumping system［D］.Wuhan：Wuhan University，2002.（in Chinese））.

［7］ 周龍才，劉士和，劉光臨，等.大型泵站引水河道流場的數值模擬［J］.武漢大學學報（工學版），2002，35（6）：16－19.（ZHOU Long-cai，LIU Shi-he，LIU Guang-lin，et al.Numerical simulation of flow field in diversion channel of large pumping station［J］.Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering，2002，35（6）：16－19.（in Chinese） ）

Numerical Analysis on Improvement of Flow Conditions in Fore-bay of Pumping Station by Setting Separation Piers

ZHOU Long-cai
（State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan 430072，China）

The measures of improving flow conditions should be adopt in the over large divergent angle of fore-bay of a pumping station to avoid the side return flow which would worsen the intake conditions of pumps.In the paper，the improvement of flow conditions in the front inflow of fore-bay of the pumping station with setting separation piers is researched by numerical simulation.The 2-D average water depth mathematical model in orthogonal curve-linear coordinate system is used for the numerical simulation.The discreted equations are obtained by finite volume method on staggered grid，and solved by SIMPLEC method.The simulated results show that，the splaying separation piers have good effect on improving the flow conditions in the researched fore-bay with large divergent angle.

pumping station；fore-bay；separation piers；improvement of flow conditions；numerical simulation

TV675

A

1001－5485（2010）02－0031－03

2009-01-12；

2009-03-24

周龍才（1972-），男，湖北隨州人，副教授，主要從事泵站方面的教學與科研工作，（電話）13387516456（電子信箱）zlcgood＠126.com。

（編輯：周曉雁）