泵站進(jìn)水池構(gòu)筑物布置形式對(duì)水流的影響

顏紅勤，陳松山

(1.江蘇省水利工程科技咨詢(xún)有限公司，江蘇南京 210029;2.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

泵站進(jìn)水池構(gòu)筑物布置形式對(duì)水流的影響

顏紅勤1，陳松山2

(1.江蘇省水利工程科技咨詢(xún)有限公司，江蘇南京 210029;2.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

為分析泵站進(jìn)水池中構(gòu)筑物布置對(duì)水流的影響，采用CFD技術(shù)模擬計(jì)算了進(jìn)水池中不同構(gòu)筑物布置形式的水體流動(dòng)狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明:在進(jìn)水管兩側(cè)設(shè)置水泵梁，對(duì)進(jìn)水池流態(tài)及喇叭口出口水力性能基本無(wú)影響;進(jìn)水側(cè)水泵梁改為檢修平臺(tái)，平臺(tái)下方出現(xiàn)橫軸漩渦，喇叭口出口水力性能略有降低;進(jìn)水管后側(cè)設(shè)置檢修平臺(tái)，切斷了進(jìn)水池表面及兩側(cè)近壁區(qū)水體進(jìn)入喇叭口的通道，出口水力性能降低;在池內(nèi)設(shè)置檢修胸墻，改變了表面水體流動(dòng)方式，造成喇叭口單向進(jìn)水，出口水力性能下降明顯;同時(shí)設(shè)置檢修胸墻及進(jìn)水管后側(cè)檢修平臺(tái)，池內(nèi)水流紊亂，喇叭口單向進(jìn)水，出口水力性能最差。因此，除水泵梁外，進(jìn)水池中應(yīng)避免設(shè)置其他構(gòu)筑物。

泵站;進(jìn)水池;構(gòu)筑物;流態(tài);水力性能;數(shù)值模擬

開(kāi)敞式進(jìn)水池是中、小型立式軸(混)流泵站中最常見(jiàn)的進(jìn)水池，主要作用是調(diào)整水流，為水泵提供良好的進(jìn)水條件。陸林廣等［1］從理論上給出了進(jìn)水池及喇叭管的最佳水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;孫衣春等［2］分析了不同形狀進(jìn)水池的水力性能;劉超等［3］提出了進(jìn)水池設(shè)計(jì)的控制尺寸，成立等［4］指出采用ω形后壁體可使進(jìn)水池流態(tài)、水力性能得到明顯改善。開(kāi)敞式進(jìn)水池的寬度、長(zhǎng)度、水泵吸水喇叭管的淹沒(méi)水深、懸空高、后壁距等控制性尺寸在有關(guān)規(guī)范［5］或技術(shù)書(shū)籍［6-7］中均有明確表述，且經(jīng)實(shí)踐證明也是合適可行的。在具體工程設(shè)計(jì)中，有時(shí)會(huì)在進(jìn)水池中增加部分構(gòu)筑物，以便于安裝和檢修設(shè)備。這些構(gòu)筑物設(shè)置后，對(duì)進(jìn)水池流態(tài)及水泵喇叭口出口(即葉輪室進(jìn)口)水力性能的影響，尚未見(jiàn)相關(guān)研究分析。采用CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)分析進(jìn)水池、泵裝置流態(tài)已成為普遍采用手段之一［8-9］，為此，本文針對(duì)實(shí)際工程中存在的不同構(gòu)筑物布置形式，利用CFD技術(shù)對(duì)開(kāi)敞式進(jìn)水池水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同構(gòu)筑物布置形式對(duì)進(jìn)水池流態(tài)及喇叭口出口水力性能的影響，提出構(gòu)筑物布置的合理形式，供工程設(shè)計(jì)參考。

1 構(gòu)筑物布置及計(jì)算方案

通常開(kāi)敞式進(jìn)水池平面形狀為矩形，后壁多為ω形，以改善水泵進(jìn)水條件。水泵和吸水管置于池中，水泵安裝于鋼筋混凝土水泵梁上，如圖1(a)所示。實(shí)際工程中，為便于設(shè)備安裝、檢修，部分泵站將水泵梁加寬構(gòu)筑成檢修平臺(tái)(圖1(b)(c))，還有的在進(jìn)水池進(jìn)口處設(shè)置擋水胸墻(圖1(d)(e))，以降低檢修門(mén)高度。計(jì)算中將圖1(a)～(e)分別定義為方案1～5，為便于比較，將進(jìn)水池中僅有進(jìn)水管的布置形式定義為方案0。

圖1 進(jìn)水池各種構(gòu)筑物布置形式

2 數(shù)值模擬分析模型

2.1 控制方程與計(jì)算方法

開(kāi)敞式進(jìn)水池內(nèi)水流處于復(fù)雜的三維紊流狀態(tài)，本文采用基于不可壓縮流體的連續(xù)性方程和定常時(shí)均雷諾方程(RANS方程)，以及基于渦團(tuán)黏性假設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)k－ε紊流模型方程［10］，利用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算?？刂品匠滩捎每刂企w積法離散(其中擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式)，半隱式壓力耦合算法(SIMPLE算法)求解。網(wǎng)格劃分采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格，喇叭口部位網(wǎng)格局部加密，共劃分為120萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。

2.2 計(jì)算物理區(qū)域

以某900ZLB型立式軸流泵站(圖2)為研究對(duì)象，該站進(jìn)水池寬3.0 m，水深3.5 m，水泵中心線(xiàn)距進(jìn)水池進(jìn)口8.0 m，進(jìn)水喇叭管懸空高0.8 m，喇叭管進(jìn)口內(nèi)徑1.25 m，出口內(nèi)徑0.82 m，后壁為ω形，高度與水面齊平，后壁距為1.25 m。計(jì)算物理區(qū)域包括開(kāi)敞式進(jìn)水池(含ω形后壁)、水泵吸水喇叭管、進(jìn)水管以及進(jìn)水池內(nèi)水泵梁、檢修平臺(tái)、胸墻等。為研究喇叭管出口，即水泵葉輪室進(jìn)口的流態(tài)，將喇叭管出口適當(dāng)延長(zhǎng)(不含水泵葉輪)。對(duì)圖1所示的各方案分別進(jìn)行三維實(shí)體造型，限于篇幅，本文僅給出方案1的三維實(shí)體造形，如圖3所示。

圖2 典型泵站示意圖(單位:m)

圖3 方案1三維實(shí)體造形

2.3 邊界條件

a.進(jìn)口條件。采用速度進(jìn)口條件，計(jì)算進(jìn)口設(shè)在進(jìn)水池進(jìn)口，來(lái)流均勻分布，各節(jié)點(diǎn)流速相等，結(jié)合該水泵的設(shè)計(jì)流量，計(jì)算中進(jìn)口流速采用0.3 m/s。進(jìn)口紊動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε由式(1)［11］給出:

式中:v為進(jìn)口平均流速;D為進(jìn)口當(dāng)量直徑。

b.出口邊界。流場(chǎng)出口設(shè)置在喇叭管出口延伸較遠(yuǎn)處，該斷面為充分發(fā)展的湍流，滿(mǎn)足二類(lèi)邊界條件，按出口斷面外法線(xiàn)方向梯度為零的出流條件給定。

c.固壁條件。進(jìn)水池邊壁、底部及水泵喇叭管采用固定壁面，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。

d.自由水面。自由水面采用對(duì)稱(chēng)邊界條件。

3 水力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

進(jìn)水池是安裝水泵進(jìn)水管的建筑物，一般要求進(jìn)水池水力設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足兩個(gè)條件［1］:一是池內(nèi)水流平順，水力損失小，無(wú)有害漩渦產(chǎn)生，保證水泵機(jī)組不產(chǎn)生性能惡化和機(jī)械振動(dòng);二是水泵葉輪室進(jìn)口斷面速度分布均勻且垂直于該斷面，保證水泵裝置達(dá)到其最佳運(yùn)行狀況。為此除進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)分布外，以進(jìn)水池進(jìn)口至喇叭管出口間水力損失Δh、喇叭管出口速度分布均勻度Vu和速度加權(quán)平均角度作為各方案水力性能優(yōu)劣的判斷指標(biāo)，計(jì)算公式為

式中:E1、E2分別為進(jìn)水池進(jìn)口、喇叭管出口斷面處總能量;為出口斷面的平均軸向流速;uai為斷面各單元的軸向流速;uti為斷面各單元的橫向流速;m為喇叭口出口流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算時(shí)所劃分的單元個(gè)數(shù)。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 進(jìn)水池流態(tài)

為直觀顯示各方案內(nèi)部流場(chǎng)，圖4給出了各方案進(jìn)水池流態(tài)分布。圖5和圖6分別為從進(jìn)水池后壁、底部所觀察到的喇叭口附近流態(tài)。由圖4～6可見(jiàn):

圖4 各方案流場(chǎng)跡線(xiàn)(正視)

圖5 各方案喇叭口流場(chǎng)跡線(xiàn)(左視)

圖6 各方案喇叭口流場(chǎng)跡線(xiàn)(仰視)

a.方案0中，進(jìn)水池水流平順，無(wú)不良流態(tài)，表面及進(jìn)水池兩側(cè)近壁處水體繞過(guò)進(jìn)水管從后半段進(jìn)入管中，中下部水體從喇叭口前半段進(jìn)入;從下方看，喇叭口呈四面進(jìn)水狀態(tài)，ω形后壁與流線(xiàn)形狀基本吻合。

b.方案1增加水泵梁后，除水泵梁后局部出現(xiàn)較小的橫軸漩渦外，進(jìn)水池基本無(wú)其他不良流態(tài)，表面及進(jìn)水池兩側(cè)近壁處水體繞過(guò)進(jìn)水管從后半段進(jìn)入管中，中下部水體基本從喇叭口前半段進(jìn)入;從下方看，喇叭口呈四面進(jìn)水狀態(tài)，ω形后壁與流線(xiàn)形狀亦基本吻合。

c.方案2將進(jìn)水側(cè)水泵梁加寬形成檢修平臺(tái)后，在平臺(tái)下方及水泵梁后出現(xiàn)橫軸漩渦，漩渦下部距喇叭口較近，有造成喇叭口進(jìn)水不穩(wěn)定的可能;表面及進(jìn)水池兩側(cè)近壁處水體仍可繞過(guò)進(jìn)水管從后半段進(jìn)入管中;從下方看，喇叭口仍呈四面進(jìn)水狀態(tài)，ω形后壁與流線(xiàn)形狀基本吻合。

d.方案3在方案2的基礎(chǔ)上，在進(jìn)水管后側(cè)也設(shè)置了檢修平臺(tái)，除進(jìn)水側(cè)平臺(tái)下出現(xiàn)橫向漩渦外，表面及兩側(cè)近壁水體受后側(cè)平臺(tái)阻擋，從平臺(tái)上方沿ω形后壁、螺旋狀從進(jìn)水管兩側(cè)向下，進(jìn)入平臺(tái)下方ω形后壁體后再進(jìn)入喇叭管，水流紊亂;而且從下方看，喇叭口以三向進(jìn)水為主，后側(cè)少量進(jìn)水。

e.方案4在方案1的基礎(chǔ)上增設(shè)檢修胸墻，受胸墻豎向擠壓影響，表面中部水體只能與下層水體一道從進(jìn)水管前半部進(jìn)入喇叭口，表面兩側(cè)及近壁區(qū)水體繞至進(jìn)水管后，從胸墻后回流進(jìn)喇叭口，胸墻后形成較大尺度的回流區(qū);從下方看，喇叭口呈單向進(jìn)水狀態(tài)。

f.方案5在方案3的基礎(chǔ)上設(shè)檢修胸墻，受檢修胸墻及平臺(tái)的共同作用，胸墻后部、檢修平臺(tái)上方形成較大的死水區(qū)，池內(nèi)水體只能從進(jìn)水管前半部進(jìn)入喇叭口，表面及兩側(cè)近壁水體繞至進(jìn)水管后側(cè)平臺(tái)下方，以螺旋狀進(jìn)入喇叭口，水流紊亂;從下方看，喇叭口呈單向進(jìn)水狀態(tài)。

通過(guò)上述流態(tài)比較分析不難發(fā)現(xiàn)，安裝泵體的水泵梁，除梁后出現(xiàn)的少量橫軸漩渦外，對(duì)進(jìn)水池流態(tài)基本無(wú)影響。在進(jìn)水管進(jìn)水側(cè)設(shè)置檢修平臺(tái)后，在其下方形成的橫軸漩渦有進(jìn)入喇叭口的可能，對(duì)喇叭口進(jìn)水方式有一定影響。進(jìn)水管后側(cè)設(shè)置的檢修平臺(tái)切斷了進(jìn)水池表面及兩側(cè)近壁區(qū)水體進(jìn)入喇叭口的通道，設(shè)置豎向檢修胸墻改變了表面水體流動(dòng)方式，造成喇叭口單向進(jìn)水，對(duì)泵裝置穩(wěn)定運(yùn)行不利。

4.2 喇叭口出口水力性能

將各方案的Δh、Vu和的計(jì)算結(jié)果列于表1。對(duì)照方案0，在進(jìn)水池中布置水泵梁、檢修平臺(tái)、檢修胸墻均會(huì)增加進(jìn)水池水力損失，降低Vu和θ，豎向構(gòu)筑物較水平向構(gòu)筑物影響更甚。

表1 各方案喇叭口出口水力性能參數(shù)

從各參數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)，方案1中的水泵梁或方案2的進(jìn)水側(cè)檢修平臺(tái)，Δh基本不變，Vu及略有降低;方案3中進(jìn)水管后側(cè)檢修平臺(tái)的設(shè)置，Δh增加明顯，Vu及θ降低;方案4在進(jìn)水側(cè)設(shè)置檢修胸墻，方案5同時(shí)設(shè)置檢修平臺(tái)及胸墻，Δh繼續(xù)增加，Vu及θ較方案0降低明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)5種進(jìn)水池構(gòu)筑物布置形式的CFD模擬計(jì)算可知，在開(kāi)敞式進(jìn)水池中進(jìn)水管兩側(cè)設(shè)置水泵梁，對(duì)進(jìn)水池流態(tài)及喇叭口出口水力性能基本無(wú)影響;進(jìn)水側(cè)水泵梁延伸形成檢修平臺(tái)后，平臺(tái)下方出現(xiàn)的橫軸漩渦距喇叭口較近，有造成喇叭口進(jìn)水不穩(wěn)定的可能，喇叭口出口水力性能略有降低;進(jìn)水管后側(cè)設(shè)置檢修平臺(tái)，切斷了進(jìn)水池表面及兩側(cè)近壁區(qū)水體進(jìn)入喇叭口的通道，喇叭口出口水力性能降低;在池內(nèi)設(shè)置檢修胸墻，改變了表面水體流動(dòng)方式，造成喇叭口單向進(jìn)水，喇叭口出口水力性能下降明顯;同時(shí)設(shè)置檢修胸墻及進(jìn)水管后側(cè)檢修平臺(tái)，池內(nèi)水流紊亂，喇叭口單向進(jìn)水，喇叭口出口水力性能最差。為此，開(kāi)敞式進(jìn)水池中除布置必要的水泵梁外，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)檢修平臺(tái)，特別是進(jìn)水管后側(cè)的檢修平臺(tái)和池首的檢修胸墻，以確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

本研究成果主要以數(shù)值模擬分析為主，擬結(jié)合相關(guān)課題研究，進(jìn)行水工物理模型試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證分析成果。

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Effect of structural patterns in sump of pumping stations on flows

YAN Hongqin1，CHEN Songshan2(1.Hydraulic Engineering Science and Technology Consultation Limited Company of Jiangsu Province，Nanjing210029，China;2.School of Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou225009，China)

In order to analyze the effect of the structural layout in the sump of pumping stations，CFD technology was employed to simulate the flow regimes in the sump with different structural patterns.The simulated results show that the pump beams set at both sides of the inlet pipe basically have no effect on the flow regime in the sump and the hydraulic performance in the outlet of the trumpet mouth.When the pump beams at the side of the inlet pipe are changed to a maintenance platform，a horizontal vortex appears below the platform，and the hydraulic performance in the outlet of the trumpet mouth slightly decreases.When the maintenance platform is set behind the inlet pipe，the channel for the water at the sump surface and near-wall regions flowing into the trumpet mouth is cut off，and the hydraulic performance at the outlet decreases.When the maintenance breast wall is set in the sump，the flowing patterns of the surface water are changed，leading to one-way flows into the trumpet mouth，and the hydraulic performance at the outlet obviously decreases.When the maintenance breast wall in the sump and the maintenance platform behind the inlet pipe are simultaneously set，the flows in the sump are turbulent and result in one-way flows into the trumpet mouth，and the hydraulic performance at the outlet is worst.Therefore，except for the pump beams，other structures should not be set in the sump.

pumping station;sump;structure;flow regime;hydraulic performance;numerical simulation

TV131.4;TV675

A

1006-7647(2013)02-0055-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.012

江蘇省水利科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2009014)

顏紅勤(1973—)，男，江蘇姜堰人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事泵站工程技術(shù)咨詢(xún)工作。E-mail:yanhq2003@yahoo.com.cn

2012-06-08 編輯:熊水斌)