小型閘站式側(cè)向泵站進(jìn)水流態(tài)數(shù)值模擬研究

羅燦，雷帥浩，袁堯，成立，杜康

(1.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 揚州 225000)

最新《全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，全國大中型泵站有4 652座，約占4.87%，其他皆為小型泵站.對于小型泵站而言，進(jìn)水系統(tǒng)采用進(jìn)水池居多.為了獲取良好的進(jìn)水條件，進(jìn)水池前需設(shè)置前池.當(dāng)?shù)匦螚l件受限時，采用側(cè)向進(jìn)水前池，其水流與進(jìn)水池水流方向不一致，池內(nèi)易形成回流、旋渦等不良流態(tài)[1].針對側(cè)向進(jìn)水前池和進(jìn)水池內(nèi)的不良流態(tài)，國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究工作.資丹等[2]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的方法分析了組合式導(dǎo)流墩在大型泵站前池和進(jìn)水池流態(tài)改善的作用；羅燦等[3]采用數(shù)值模擬和試驗研究的方法分析了導(dǎo)流墩在非對稱式閘站結(jié)合式泵站前池的整流效果；徐波等[4]采用數(shù)值模擬的方法研究了導(dǎo)流墩幾何參數(shù)對閘站合建樞紐通航水流條件的影響；馮建剛等[5]通過水力模型試驗發(fā)現(xiàn)，在前池布設(shè)導(dǎo)流墩可有效地改善池內(nèi)流態(tài)；成立等[6]開展了Y形導(dǎo)流墩幾何參數(shù)對前池流態(tài)改善效果的數(shù)值模擬研究；徐存東等[7]采用數(shù)值模擬的方法分析了壓水板對前池流態(tài)的改善作用；于永海等[8]利用數(shù)值模擬的方法分析比較了導(dǎo)流板幾何參數(shù)對前池的整流效果.這表明導(dǎo)流板和導(dǎo)流墩在池內(nèi)改善中都具有重要的作用，但采用導(dǎo)流板和導(dǎo)流墩進(jìn)行聯(lián)合整流的研究較少.

某泵站設(shè)計流量為6 m3/s，根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》，該泵站為小(1)型泵站[9].該泵站將船閘和泵站合建，為典型的閘站式泵站，泵站前池兼顧通航功能，若涉及整流，無法在前池中布設(shè)整流措施.因此，文中圍繞泵站進(jìn)水池內(nèi)存在的不良流態(tài)，設(shè)置不同的整流措施，并對其整流效果展開數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果可為同類泵站流態(tài)的改善提供參考.

1 數(shù)值計算方法

1.1 控制方程

文中將水作為不可壓縮流體，進(jìn)水池內(nèi)的雷諾數(shù)Re=4.4×105，因此泵站進(jìn)水池內(nèi)的流動為充分發(fā)生的紊流.忽略熱能量交換，采用包括連續(xù)性方程和動量方程在內(nèi)的RANS控制方程去描述該流動，同時采用RNGk-ε湍流模型對方程進(jìn)行封閉，離散方程組采用分離求解器進(jìn)行求解.連續(xù)性方程和動量方程分別為

(1)

(2)

式中：ui，uj為各方向速度分量；xi，xj為坐標(biāo)分量；p為壓力；ρ為水體密度；g為重力加速度；v為水體運動黏性系數(shù)；vt為湍動黏性系數(shù).

1.2 計算域

該泵站共有4臺機(jī)組，兩側(cè)各有1個備用進(jìn)水池，每個進(jìn)水池內(nèi)設(shè)1臺軸流泵機(jī)組，單泵設(shè)計流量為1.5 m3/s，泵站設(shè)計流量為6 m3/s.計算域包括前池、進(jìn)水池和進(jìn)水管，如圖1所示，圖中D為進(jìn)水管直徑，喇叭管進(jìn)口直徑為1.4D，進(jìn)水管懸空高(進(jìn)水管口至底板的距離)為D，后壁距(進(jìn)水管至后壁的距離)為D，水深為4D，進(jìn)水池水下體積為單泵設(shè)計流量的71.42倍，完全符合設(shè)計規(guī)范，沿前池水流方向?qū)⑦M(jìn)水池依次標(biāo)記為1#—4#.

圖1 計算域示意圖

1.3 邊界條件設(shè)置

取水流進(jìn)水處為計算域的進(jìn)口，設(shè)置質(zhì)量流量進(jìn)口，進(jìn)口流量設(shè)置為6 000 kg/s；取進(jìn)水管出口作為計算域的出口，設(shè)置自由出流條件，參考壓力為101.325 kPa；液面設(shè)為對稱邊界條件；其他壁面設(shè)置為Wall，采取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理；采用一階迎風(fēng)格式，收斂精度為10-4.

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性

在ANSYS Mesh中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格依次對前池和進(jìn)水池進(jìn)行網(wǎng)格離散.由于網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量對數(shù)值計算結(jié)果影響很大，需對其開展無關(guān)性分析，為此剖分了8組網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為15.1萬,46.8萬,81.4萬,111.8萬,183.1萬,265.5萬,345.1萬和421.3萬.

圖2為網(wǎng)格劃分示意圖.圖3為不同網(wǎng)格方案下的水力損失，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量N超過183.1萬時，水力損失Δh誤差在±2%以內(nèi)，因此采用該網(wǎng)格開展計算.

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下的水力損失

將總水力損失作為特征參數(shù)，可采用式(3)利用進(jìn)、出口的總壓來計算總水力損失，即

(3)

式中：Δh為總水力損失；pin為進(jìn)口處總壓強(qiáng)，Pa；pout為出口處總壓強(qiáng)，Pa；ρ為水的密度，取1.0×103kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2.

2 特征斷面和流態(tài)評價指標(biāo)

2.1 特征斷面選取

圖4為各方案整流措施，圖中L1為進(jìn)水池長度；L2為J型導(dǎo)流墩尾端距進(jìn)水管中心線的距離；L3為J型導(dǎo)流墩直線段長度；L4為J型導(dǎo)流墩直線段與圓弧段間距；L5為J型導(dǎo)流墩圓弧段尾端直線段長度；L6為翼型導(dǎo)流板的弦長(最大長度)；L7為翼型導(dǎo)流板的最大厚度；W1為進(jìn)水池寬度；W2為J型導(dǎo)流墩直線段到進(jìn)水池邊壁的距離；W3為J型導(dǎo)流墩的寬度；R為J型導(dǎo)流墩圓弧段內(nèi)圓半徑；α為翼型導(dǎo)流板仰角(翼弦與水平面的夾角)；β為J型導(dǎo)流墩圓弧段的角度；H1為下層翼型導(dǎo)流板距底板的高度；H2為中層翼型導(dǎo)流板與下層翼型導(dǎo)流板間距；H3為中層翼型導(dǎo)流板與上層翼型導(dǎo)流板間距；H4為上層翼型導(dǎo)流板距水面的高度.為了定性分析進(jìn)水池面層、中層和底層流態(tài)，分別截取3個斷面，如圖4a所示.斷面1-1靠近水面，距底板高度H=3.5D；斷面2-2為中間斷面，距底板高度H=2.5D；斷面3-3靠近底板，距底板高度H=0.5D.為了定量分析吸水管前的流動狀況，順?biāo)鞣较颍诰辔苤行木€D處截取縱剖面4-4，如圖4a所示.

圖4 各方案整流措施

2.2 流態(tài)評價指標(biāo)

對于縱剖面4-4，采用進(jìn)水流道水力性能評判的目標(biāo)函數(shù)，即軸向速度分布均勻度vau、速度加權(quán)平均角θ以及斷面平均軸向速度va進(jìn)行定量分析.軸向速度分布均勻度vau用于判別特征斷面上軸向流速的分布均勻程度，其數(shù)值越接近100%，斷面流速分布越均勻；速度加權(quán)平均角θ用于表征斷面軸向速度與斷面的夾角，其數(shù)值越接近90°，流動平順性越好[1].

3 整流措施幾何特性

針對無措施時進(jìn)水池內(nèi)存在的不良流態(tài)，文中共設(shè)計了3種整流措施，分別為翼型導(dǎo)流板、J型導(dǎo)流墩以及翼型導(dǎo)流板+J型導(dǎo)流墩，如圖4所示.翼型選用標(biāo)準(zhǔn)的NA012翼型，各整流措施的尺寸見表1，其中，各整流措施中導(dǎo)流墩的高度與水深相等.

表1 各整流措施位置及尺寸

4 計算結(jié)果分析

4.1 橫斷面流態(tài)分析

圖5為各方案進(jìn)水池面層的流線分布及速度v云圖.從圖5a可以看出，原方案下1#—3#進(jìn)水池流態(tài)紊亂，尤其是進(jìn)水池左側(cè)存在大尺度的回旋區(qū)(圖中紅色虛線)，其中3#進(jìn)水池后壁處存在水流回旋，2#和4#進(jìn)水池后壁池可能形成水流回旋.

針對原方案進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)紊亂，方案1在進(jìn)水池進(jìn)口處設(shè)置翼型導(dǎo)流板，可以破壞立面水流回旋，使得進(jìn)水池流態(tài)得到很大改善，從圖5b可以看出，相比原方案，1#進(jìn)水池大回旋明顯變小，2#和3#進(jìn)水池大回旋區(qū)消失，僅在進(jìn)水池后壁處形成很小的水流回旋.方案2在進(jìn)水池進(jìn)口處設(shè)置J型導(dǎo)流墩，其弧形部分切合側(cè)向進(jìn)水水流，使水流流態(tài)更加均勻?qū)ΨQ.從圖5c可以看出，相比原方案，1#進(jìn)水池大回旋明顯變小，2#和3#進(jìn)水池大回旋區(qū)消失，進(jìn)水池水流均勻?qū)ΨQ，僅在進(jìn)水池后壁處形成很小的水流回旋.為了進(jìn)一步改善進(jìn)水池流態(tài)，方案3采用聯(lián)合措施“J型導(dǎo)流墩+翼型導(dǎo)流板”，從圖5d可以看到，進(jìn)水池大回流消失，僅在后壁出現(xiàn)輕微的水流回旋，進(jìn)水池整體水流流態(tài)均勻?qū)ΨQ.圖6為各方案中層的流線分布及速度云圖.

圖5 各方案面層流線分布

圖6 各方案中層流線分布

從圖6a可以看出，原方案下，1#—3#進(jìn)水池左側(cè)均存在大面積的回流區(qū)，順前池主流方向進(jìn)水池回流區(qū)逐漸變小，其中3#進(jìn)水池后壁有水流回旋.從圖6b可以看出，經(jīng)方案1整流后，1#進(jìn)水池回流區(qū)明顯減少一半，2#和3#進(jìn)水池回流區(qū)消失，其中4#進(jìn)水池后壁處有水流回旋.從圖6c可以看出，經(jīng)方案2整流后，1#進(jìn)水池回流區(qū)大面積減少，2#和3#進(jìn)水池回流區(qū)消失，其中4#進(jìn)水池后壁處有水流回旋.從圖6d可以看出，經(jīng)方案3整流后，相比其他方案，進(jìn)水池左側(cè)大回流消失，流態(tài)均勻?qū)ΨQ，僅在進(jìn)水池后壁處出現(xiàn)水流回旋，整體流態(tài)好.

圖7為各方案底層的流線分布及速度云圖.從圖7a可以看出，原方案中1#和2#進(jìn)水池左側(cè)均存在回流，3#和4#進(jìn)水池流線平順.從圖7b可以看出，經(jīng)方案1整流后，1#進(jìn)水池流態(tài)有所改善，2#進(jìn)水池回流區(qū)消失.從圖7c可以看出，經(jīng)方案2整流后，1#進(jìn)水池回流區(qū)明顯減少一半，2#進(jìn)水池回流區(qū)消失.從圖7d可以看出，經(jīng)方案3整流后，相比其他方案，1#進(jìn)水池流態(tài)有所改善，整體流態(tài)均勻?qū)ΨQ.

圖7 各方案底層流線分布

4.2 縱剖面流態(tài)分析

為了更好地分析各方案的整流效果，計算了各方案下進(jìn)水池縱剖面的軸向流速分布均勻度、速度加權(quán)平均角和斷面平均軸向流速，計算結(jié)果如表2所示.由表2可以得知：① 各方案進(jìn)水池縱剖面軸向流速分布均勻度隨進(jìn)水池距前池進(jìn)口距離的增加整體呈上升趨勢，原方案軸向流速分布均勻度上升趨勢較緩，其中1#進(jìn)水池為73.17%，方案1軸向流速分布均勻度上升趨勢明顯，與原方案相比，4#進(jìn)水池提高了10.31%.方案2軸向流速分布均勻度上升趨勢較原方案更為平緩，與原方案相比，2#進(jìn)水池下降了5.51%.方案3軸向流速分布均勻度上升趨勢最為明顯，相比原方案，4#進(jìn)水池提高了12.20%，因此方案3整流效果最好.② 原方案及方案2速度加權(quán)平均角與進(jìn)水池距前池進(jìn)口距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與原方案相比，方案2下降趨勢更加平緩，其中3#進(jìn)水池相比原方案提高了0.2°，方案1及方案3速度加權(quán)平均角與進(jìn)水池距前池進(jìn)口距離并非單調(diào)變化關(guān)系，各方案3#進(jìn)水池均為最優(yōu)，其中方案3數(shù)值最大，因此方案3整流效果亦最好.③ 原方案、方案2及方案3進(jìn)水池斷面平均軸向流速隨進(jìn)水池距前池進(jìn)口距離的增加單調(diào)遞減，其中，原方案各進(jìn)水池斷面平均軸向流速下降趨勢最為明顯，最大差值為0.059 m/s.方案2斷面平均軸向流速下降趨勢較緩，最大差值為0.019 m/s，方案3下斷面平均軸向流速更為平緩，最大差值僅為0.001 m/s，可忽略不計.但與其他方案相比，方案1變化趨勢不同，亦非單調(diào)變化關(guān)系，其中，2#進(jìn)水池斷面平均軸向流速最小，綜合分析后，方案3整流效果最好.

表2 各方案縱剖面流態(tài)評價指標(biāo)

圖8為各方案下進(jìn)水池縱剖面軸向速度w云圖(從左至右依次為1#—4#進(jìn)水池).從圖8a可以看出，原方案下各進(jìn)水池縱剖面流態(tài)分布極度不均，且1#—3#進(jìn)水池左側(cè)均存在負(fù)流速區(qū)，高速區(qū)均在右側(cè)；從圖8b可以看出，方案1下各進(jìn)水池縱剖面流態(tài)分布有所提高，其中2#和3#進(jìn)水池負(fù)流速區(qū)消失，1#進(jìn)水池回流區(qū)明顯變小，高速區(qū)基本在進(jìn)水池中間；從圖8c可以看出，方案2下各進(jìn)水池縱剖面流態(tài)分布均勻，其中1#—3#進(jìn)水池回流區(qū)大面積減少，高速區(qū)基本在進(jìn)水池中間；從圖8d可以看出，方案3下各進(jìn)水池縱剖面流態(tài)分布基本均勻，各進(jìn)水池回流區(qū)消失，高速區(qū)在進(jìn)水池中間.因此方案3整流效果最佳.

圖8 各方案進(jìn)水池縱剖面軸向速度云圖

通過對比不同方案進(jìn)水池縱剖面軸向流速分布均勻度、速度加權(quán)平均角、斷面平均軸向流速和軸向速度云圖可發(fā)現(xiàn)，方案3下進(jìn)水池流態(tài)最好.

5 結(jié) 論

針對側(cè)向進(jìn)水泵站進(jìn)水池出現(xiàn)的大尺度回旋問題，提出了在進(jìn)水池加設(shè)J型導(dǎo)流墩、翼型導(dǎo)流板以及J型導(dǎo)流墩+翼型導(dǎo)流板的整流措施，分別分析了3種整流措施對進(jìn)水池的改善作用，得出如下結(jié)論：

1)原方案進(jìn)水池均存在大尺度的回旋區(qū)，大回流區(qū)由進(jìn)水池進(jìn)口延伸至進(jìn)水管前端，流態(tài)分布極度不均勻.

2)3種整流措施均可有效改善進(jìn)水池流態(tài)，進(jìn)水池大尺度回旋基本消失.J型導(dǎo)流墩的弧形部分很好地切合側(cè)向進(jìn)水主流方向，并結(jié)合直線部分對水流有很好的導(dǎo)向作用；翼型導(dǎo)流板可以破壞水流回旋，并對水流有很好的平順作用.所選的J型導(dǎo)流墩+翼型導(dǎo)流板方案進(jìn)水池縱斷面軸向流速分布均勻度整體大于其他方案，軸向流速分布均勻度可提高12.2%.

3)提出的3種整流措施均是在原有基礎(chǔ)上開展的創(chuàng)新性設(shè)計，結(jié)果和機(jī)理分析表明整流效果良好.研究成果不僅豐富了相關(guān)理論，拓展了整流措施的選擇，還可用于其他同類小型泵站，應(yīng)用前景巨大.