Y形導(dǎo)流墩幾何參數(shù)對(duì)泵站前池整流效果的影響

成 立，祁衛(wèi)軍，羅 燦，商邑楠，袁紅彥

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

前池分為正向進(jìn)水前池和側(cè)向進(jìn)水前池兩種類型。前池設(shè)計(jì)不當(dāng)易導(dǎo)致不良流態(tài)產(chǎn)生，而前池內(nèi)的不良流態(tài)將嚴(yán)重影響進(jìn)水池內(nèi)的流態(tài)，導(dǎo)致水泵能量性能和抗空蝕性能下降，甚至引起水泵的空蝕和振動(dòng)，同時(shí)回流還會(huì)引起前池內(nèi)的局部淤積，而泥沙淤積又會(huì)進(jìn)一步加劇不良流態(tài)的發(fā)展［1］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泵站前池流態(tài)的改善做了較多研究，劉超等［2］針對(duì)泵站側(cè)向進(jìn)水引河段的回流流動(dòng)，研究了“底坎+Y形導(dǎo)流墩”的組合整流措施后的流動(dòng);成立等［3］對(duì)泵站前池底坎整流的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了底坎整流機(jī)理;周濟(jì)人等［4］通過王山泵站整體模型試驗(yàn)研究，分析了前池不良流態(tài)的成因，研究了加設(shè)導(dǎo)流墻等措施的前池整流機(jī)理;Gaston等［5］驗(yàn)證了采用CFD分析方式能更好分析復(fù)雜流態(tài)。目前研究內(nèi)容主要集中于在前池中放置底坎［6-7］、壓水板［8］、八字形隔墩［9-10］和導(dǎo)流板［11］，但對(duì)Y形導(dǎo)流墩整流機(jī)理的研究不多。本文基于Fluent軟件，采用數(shù)值模擬的方法模擬Y形導(dǎo)流墩的整流效果，分析研究Y形導(dǎo)流墩在不同設(shè)置位置和幾何參數(shù)下對(duì)改善前池流態(tài)的影響。

1 前池及Y形導(dǎo)流墩參數(shù)

本文研究的泵站進(jìn)水前池為正向擴(kuò)散前池，其中研究區(qū)域如圖1所示，包括涵洞(兩孔)、前池、進(jìn)水池(1～10號(hào))和吸水管。前池相關(guān)參數(shù)包括前池寬度B、吸水管直徑 D0，測(cè)速斷面1-1距進(jìn)水池0.438D0。擬研究的Y形導(dǎo)流墩如圖2所示，其主要參數(shù)包括高度H、長度L、寬度D、角度θ及Y形導(dǎo)流墩至進(jìn)水池距離X。

2 數(shù)值計(jì)算

采用Realizable k-ε模型和SIMPLE算法求解流速場(chǎng)分布。由于流動(dòng)需遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程，故選擇雷諾時(shí)均N-S方程和連續(xù)性方程對(duì)整個(gè)流動(dòng)進(jìn)行描述。連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

式中:ui分別為x、y、z方向的速度分量;p為壓力;ρ為密度;g為重力加速度;ν為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，νt為紊動(dòng)黏性系數(shù)。

進(jìn)口取在進(jìn)水涵洞入口，本文研究中給定進(jìn)水涵洞的流量，進(jìn)口邊界設(shè)為質(zhì)量入口。由于前池內(nèi)水面波動(dòng)不大，采用剛蓋假定，簡化為對(duì)稱邊界條件。由于出口流動(dòng)已成單向狀態(tài)，為自由出流，選用outflow出流條件。壁面邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

3 研究方案

為了深入研究Y形導(dǎo)流墩位置及幾何參數(shù)對(duì)前池流態(tài)的影響，設(shè)計(jì)了13個(gè)方案，如表1所示。先分析無整流措施的方案1;然后分別分析比較不同的Y形導(dǎo)流墩位置(方案2～4)、高度(方案5～7)、角度(方案8～10)和長度(方案11～13)對(duì)前池流態(tài)的影響。為了定量分析，選取斷面1-1為行近流速測(cè)量斷面。

表1 不同方案的Y形導(dǎo)流墩幾何參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4．1 無整流措施的前池流態(tài)

無整流措施的前池流線和斷面1-1行近流速分別如圖3和圖4所示，無整流措施的前池流態(tài)不良，前池左右兩側(cè)出現(xiàn)與前池長度近乎相等的漩渦;由于兩側(cè)水流存在大尺度回漩，逼近進(jìn)水池，斷面1-1行近流速分布很不均勻。

由圖4可知，數(shù)值模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)及數(shù)值大小與試驗(yàn)結(jié)果［2］呈現(xiàn)出一致性，這表明數(shù)值模擬方法基本可行。

4．2 Y形導(dǎo)流墩位置對(duì)前池流態(tài)的影響

從圖5～7可知，當(dāng)Y形導(dǎo)流墩位置過于接近涵洞時(shí)(方案2)，其分流效果較為明顯，但前池中間的水流出現(xiàn)大尺度的回漩，對(duì)進(jìn)水池流態(tài)產(chǎn)生不利影響;當(dāng)Y形導(dǎo)流墩位置過于接近進(jìn)水池時(shí)(方案4)，Y形導(dǎo)流墩尾部漩渦影響到了進(jìn)水池。當(dāng)Y形導(dǎo)流墩位置適中時(shí)(方案3)，進(jìn)水池前側(cè)的流態(tài)獲得更均勻分布。由圖8可知，方案3和方案4中進(jìn)水池前的行近流速分布較為均勻。從上述3種方案的位置參數(shù)看，方案3整流效果較好。

4．3 Y 形導(dǎo)流墩高度對(duì)前池流態(tài)的影響

4．4 Y形導(dǎo)流墩角度對(duì)前池流態(tài)的影響

由圖13～16及圖6可知，當(dāng)Y形導(dǎo)流墩尾部夾角較小時(shí)(方案8和9)，雖然進(jìn)水池前的行近流速比較均勻，但是前池兩側(cè)漩渦更大;當(dāng)Y形導(dǎo)流墩尾部夾角適中時(shí)(方案3，θ=120°)，兩側(cè)回流區(qū)相對(duì)變小，行近流速相對(duì)均勻;當(dāng)Y形導(dǎo)流墩尾部夾角較大時(shí)(方案10)，兩側(cè)回流區(qū)明顯變小，但是Y形導(dǎo)流墩尾后漩渦較大，行近流速分布變得不均勻。從角度參數(shù)看，方案3整流效果較好。

4．5 Y形導(dǎo)流墩長度對(duì)前池流態(tài)的影響

由圖17～20及圖6看出，當(dāng)Y形導(dǎo)流墩長度較小時(shí)(方案3和11)，兩側(cè)回流區(qū)相對(duì)較大;Y形導(dǎo)流墩尺寸適中時(shí)(方案12)，前池兩側(cè)回流區(qū)減小，Y形導(dǎo)流墩尾后的漩渦對(duì)進(jìn)水池影響不大;當(dāng)Y形導(dǎo)流墩長度增大時(shí)(方案13)，對(duì)比流線圖可以看出，Y形導(dǎo)流墩尾后漩渦較大，影響進(jìn)水池進(jìn)水，整流效果不明顯。從長度參數(shù)來看，方案12優(yōu)于其他方案。

由于方案3和方案12只有長度參數(shù)不一樣，所以在單個(gè)Y形導(dǎo)流墩整流的案例中，方案12為最優(yōu)方案。

5 Y形導(dǎo)流墩整流機(jī)理

根據(jù)對(duì)上述各研究方案的綜合分析可知，當(dāng)水流流經(jīng)Y形導(dǎo)流墩時(shí)，由于Y形導(dǎo)流墩兩翼的作用，水流會(huì)分開，沿Y形導(dǎo)流墩張角方向擴(kuò)散，漩渦的位置會(huì)前移(圖21);與此同時(shí)，Y形導(dǎo)流墩尾后的水流會(huì)產(chǎn)生回漩，范圍受Y形導(dǎo)流墩的大小、角度和高度影響。Y形導(dǎo)流墩表面以上的水流也會(huì)產(chǎn)生輕微的分流現(xiàn)象，行近流速會(huì)由不均勻分布向均勻分布過渡(圖22)。

6 結(jié)論

a．無整流措施時(shí)，前池兩側(cè)水流存在大尺度回漩，泵站進(jìn)水池前行近流速分布不均勻。

b．無整流措施泵站前池計(jì)算值和試驗(yàn)值比較表明，數(shù)值模擬方法可行，數(shù)值模擬結(jié)果可信，可以采用CFD模擬計(jì)算的研究方法來研究泵站前池復(fù)雜流態(tài)問題。

［1］劉超．水泵及水泵站［M］．北京:中國水利水電出版社，2009:162-163．

［2］劉超，韓旭，周濟(jì)人，等．泵站側(cè)向進(jìn)水引河段三維紊流數(shù)值模擬［J］．排灌機(jī)械，2009，27(5):272-286．(LIU Chao，HAN Xu，ZHOU Jiren，et al．Numerical simulation of turbulent flow in forebay with side-intake of pumping station［J］．Drainage and Irrigation Machinery，2009，27(5):272-286．(in Chinese))

［3］成立，劉超，周濟(jì)人．水泵站底坎二維繞流湍流數(shù)值模擬［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(3):37-39．(CHENG Li，LIU Chao，ZHOU Jiren．Numerical simulation of turbulent flow around sill with RNG k-ε turbulent model［J］．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，2005，36(3):37-39．(in Chinese))

［4］周濟(jì)人，湯方平，劉超，等．改善王山泵站前池水流流態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究［J］．排灌機(jī)械，1995(2):12-18．(ZHOU Jiren，TANG fangping，LIU Chao，et al．Modeling study on improving flow pattern in diffusion channel of WANGSAN pumping-station［J］．Drainage and Irrigation Machinery，1995(2):12-18．(in Chinese))

［5］GASTON E F，MARCELA P，LARRY W．Numerical simulation of free surface flows on a fish bypass［J］．Computers ＆ Fluids，2009，38(5):997-1002．

［6］馮旭松．泵站前池底坎整流及坎后流動(dòng)分析［D］．揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)，1996．

［7］劉新陽，高傳昌，石禮文，等．泵站前池與進(jìn)水池整流數(shù)值模擬［J］，排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，30(2):54-59．(LIU Xinyang，GAO Chuanchang，SHI Liwen，et al．Numerical simulation for fluid meliorating in both forebay and suction bay of pumping station［J］．Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering，2011，30(2):54-59．(in Chinese))

［8］石禮文，楊洪存，劉偉．泵站前池改造方法與效果［J］．中國水運(yùn)，2010，10(12):168-170．(SHI Liwen，YANG Hongcun，LIU Wei．Methods and results of pumping forebay transformation［J］．China Water Transport，2010，10(12):168-170．(in Chinese))

［9］周龍才．泵站前池隔墩整流的數(shù)值分析［J］．長江科學(xué)院院報(bào)，2010，27(2):31-33．(ZHOU Longcai．Numerical analysis on improvement of flow conditions in fore-bay of pumping station by setting separation piers［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(2):31-33．(in Chinese))

［10］馮建剛，李杰．大型城市水源泵站前池流態(tài)及改善措施試驗(yàn)［J］．水利水電科技進(jìn)展，2010，30(2):70-74．(FENG Jiangang，LI Jie．Flow patterns in forebays of large urban water source pumping stations and countermeasures［J］．Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30(2):70-74．(in Chinese))

［11］于永海，徐輝，程永光．泵站前池導(dǎo)流板整流措施數(shù)值模擬研究［J］．水利水電技術(shù)，2006，37(9):41-43．(YU Yonghai，XU Hui，CHENG Yongguang．CFD numerical simulation on modification of flow pattern with flow deflector at fore-bay of pumping station［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2006，37(9):41-43．(in Chinese))