多機(jī)組泵站復(fù)合前池整流優(yōu)化分析

顧春雨，楊曉紅，周 楊，吳東恒

(1.江陰市水利工程公司，江蘇 江陰 214431；2.江陰市重點(diǎn)水利工程建設(shè)管理處，江蘇 江陰 214431)

多機(jī)組泵站復(fù)合進(jìn)水前池集中了正向、側(cè)向前池的優(yōu)缺點(diǎn)，水流流動狀況不佳，流態(tài)紊亂，存在著大尺度回流區(qū)、大曲率彎曲流動等不良水力現(xiàn)象，造成水泵機(jī)組效率低下，機(jī)組振動明顯[1- 5]。對于多機(jī)組泵站復(fù)合進(jìn)水前池水流流動研究，有關(guān)學(xué)者通過CFD數(shù)值模擬及水工模型試驗(yàn)指出，復(fù)合前池方案設(shè)計不合理會出現(xiàn)大范圍回流區(qū)，在站前形成強(qiáng)烈的橫向流，整流方案采用擴(kuò)大、延伸隔離島、設(shè)置底坎及縮小水流平面流場，取得了良好的水流流態(tài)[6]。對于多機(jī)組泵站進(jìn)水前池水力設(shè)計需要通過CFD數(shù)值模擬研究及水工模型試驗(yàn)相結(jié)合，前期水力優(yōu)化可通過CFD數(shù)值模擬[7- 10]，當(dāng)最后方案水流流態(tài)良好時可通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 工程案例

某泵站工程，兩座泵房，每座泵房10臺機(jī)組，共20臺機(jī)組。水泵型號為36ZL- 125，單機(jī)流量2.0m3/s，總流量40m3/s。由于站址選擇及規(guī)劃要求，進(jìn)水前池設(shè)計成復(fù)合前池，泵房1正向進(jìn)水，泵房2側(cè)向進(jìn)水。復(fù)合進(jìn)水前池底高程為0.00m，設(shè)計水位4.62m。復(fù)合進(jìn)水前池布置圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合前池布置圖

2 三維數(shù)學(xué)模型

在UG NX中通過草圖功能按照圖1復(fù)合前池平面圖建立草圖，取設(shè)計水位深度拉伸成三維模型，再按照邊坡比例修剪建立復(fù)合前池三維模型。按以上方法建立進(jìn)水池，各復(fù)制10臺機(jī)組建立泵房1與泵房2。復(fù)合前池水力優(yōu)化時，通過CFD數(shù)值模擬計算成果，在草圖中選擇合理的平面。原設(shè)計復(fù)合前池三維模型如圖2所示。

圖2 復(fù)合前池三維數(shù)學(xué)模型圖

3 水力優(yōu)化原則

水流流動往往帶有復(fù)雜的水力現(xiàn)象，并呈現(xiàn)獨(dú)特的三維水力特性，目前并無系統(tǒng)的優(yōu)化方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇幾何參數(shù)與流動參數(shù)進(jìn)行水力優(yōu)化。對于流動參數(shù)水力優(yōu)化，一般會根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)公式，例如葉柵理論在水力機(jī)械水泵流量～效率曲線等參數(shù)的應(yīng)用；幾何參數(shù)水力優(yōu)化可以根據(jù)某一流動現(xiàn)象，如泵站進(jìn)水前池水流流態(tài)，根據(jù)流態(tài)好壞及流動走勢調(diào)整幾何參數(shù)。本文根據(jù)原設(shè)計多機(jī)組泵站復(fù)合進(jìn)水前池水流流動走勢調(diào)整前池平面幾何形狀進(jìn)行水流整流，力求減少土方開挖量、降低工程造價并獲得更佳水流流態(tài)。

4 控制方程與邊界條件

控制方程采用三維雷諾時均N-S方程來描述該泵站復(fù)合前池不可壓縮湍流流動，方程式如下。

雷諾時均N-S方程：

邊界條件設(shè)置：采用Realizable(可實(shí)現(xiàn))k-ε模型，一階迎風(fēng)格式；進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口；出口設(shè)置為outflow(自由出流)；水流與空氣接觸面設(shè)置為symmetry(對稱)；所有邊壁均設(shè)為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 計算分析與方案優(yōu)選

5.1 原設(shè)計方案

在設(shè)計水位下，圖3(a)反映了該泵站復(fù)合進(jìn)水前池一部分水流分流至泵房1機(jī)組，沿涵洞圓弧段大曲率彎曲流動，在泵房1機(jī)組左側(cè)區(qū)域形成大尺度回流區(qū)；另一部分水流未表現(xiàn)出正向流動特點(diǎn)，在泵房2機(jī)組前方中間側(cè)形成大尺度回流區(qū)；原設(shè)計方案復(fù)合前池的水流流態(tài)紊亂，大尺度回流區(qū)易泥沙沉淀淤積，更不利于水泵機(jī)組運(yùn)行。

圖3(b)反映了水流流向泵房1機(jī)組水流主流彎曲流動，兩側(cè)區(qū)域?yàn)榈退賲^(qū)，其中左側(cè)區(qū)域回流速度超過0.3m/s；流向泵房1機(jī)組水流偏向岸墻側(cè)，中間區(qū)域大范圍低速區(qū)，這嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行。

圖3 原設(shè)計方案復(fù)合前池云圖

5.2 方案2

根據(jù)圖1計算成果可知，原方案泵房2側(cè)存在大回流區(qū)。為消除原方案大回流區(qū)等不良流態(tài)，在原方案基礎(chǔ)上去掉泵房2側(cè)邊坡，改用直立擋墻以圓弧段相切過度圓滑連接。與原方案相比較，方案二節(jié)省了土方開挖。如圖4所示。

圖5是方案二復(fù)合前池水流流態(tài)示意圖。復(fù)合前池泵房2側(cè)以直立墻圓弧段相切過度圓滑連接后，大回流區(qū)已經(jīng)消失，僅有一個較小的回流區(qū)在圓弧段，整流效果較為明顯；泵房一側(cè)中間區(qū)域仍有較大回流區(qū)并未得到改善。

圖4 方案二復(fù)合前池草圖

圖5 方案二復(fù)合前池水流流態(tài)

5.3 方案3

方案三在方案二基礎(chǔ)上去掉進(jìn)水口涵洞。涵洞對進(jìn)水口來流分隔成三股水流。三股水流未交匯區(qū)易形成回流與低速區(qū)，影響泵站進(jìn)水池進(jìn)水條件。根據(jù)以往工程案例及工程經(jīng)驗(yàn)，涵洞分隔三股來流水流，成為該泵站復(fù)合前池不良水流流態(tài)的重要因素。如圖6所示。

去掉涵洞后，泵房2左側(cè)圓弧段回流區(qū)已消失，泵房1前方區(qū)域大回流區(qū)消失，僅在泵房1、2連接段有個較小的回流區(qū)。去掉涵洞后，該泵站復(fù)合前池水流流態(tài)得到重大改善，回流基本消失，僅在泵房1進(jìn)水池存在較強(qiáng)的橫向流，這主要是因?yàn)楸梅?側(cè)主流偏流偏向岸墻側(cè)；泵房2側(cè)水流彎曲流動但在泵房2進(jìn)水池前未形成橫向流。如圖7所示。

圖6 方案三復(fù)合前池草圖

圖7 方案三復(fù)合前池水流流態(tài)

5.4 方案4

在方案三基礎(chǔ)上移動進(jìn)水口向左10m，將進(jìn)水口位于整個流動區(qū)域中間側(cè)；為減小泵房2側(cè)彎曲流動曲率，改用三段圓弧連接；同時泵房1側(cè)斜直立墻向右前方靠近，如圖8所示。

計算結(jié)果表明，方案四復(fù)合前池流動區(qū)域內(nèi)已不存在回流區(qū)等不良流態(tài)，達(dá)到了水流整流的初步目的，但泵房1、2進(jìn)水池進(jìn)水水流存在橫向流且泵房1進(jìn)水池水流橫向流較為強(qiáng)烈；水流流速小于0.1m/s的低速區(qū)域有所擴(kuò)大；泵房1、2進(jìn)水池內(nèi)水泵機(jī)組進(jìn)水前方都存在小回流，這對水泵機(jī)組影響較大。如圖9所示。

圖8 方案四復(fù)合前池草圖

圖9 方案四復(fù)合前池水流流態(tài)

5.5 方案分析比較

綜上所述，原設(shè)計方案復(fù)合前池的水流流態(tài)紊亂，存在大尺度回流；方案2復(fù)合前池泵房兩側(cè)以直立墻圓弧段相切過度圓滑連接后，大回流區(qū)已經(jīng)消失，僅有一個較小的回流區(qū)在圓弧段，整流效果較為明顯；方案三、方案四復(fù)合前池水流流態(tài)較為平順，達(dá)到了水流整流的初步目的，對于進(jìn)水池前方的橫向流卻沒有有效改善，且方案四復(fù)合前池橫向流有所加強(qiáng)，這表明僅僅依據(jù)水流流勢整流流態(tài)雖能得到很大改善但仍不夠理想，需要應(yīng)用隔離島、底坎等整流措施。

6 結(jié)語

某多機(jī)組泵站復(fù)合前池通過多方案水力優(yōu)化，該流動區(qū)域水流流態(tài)得到極大改善。通過方案分析比較結(jié)論如下。

(1)原方案復(fù)合前池水流流態(tài)紊亂，存在大回流區(qū)及橫向流，對泵站水泵機(jī)組工作存在極為不利的影響。

(2)方案二復(fù)合前池泵房2左側(cè)改用圓弧直立擋墻圓滑連接，可消除大尺度回流，但對泵房1前方區(qū)域水流流態(tài)影響忽略不計。

(3)方案三復(fù)合前池去掉涵洞，水流流態(tài)得到極大改善，回流基本消失，僅在兩座泵房圓弧連接段存在一個較小的回流區(qū)。

(4)方案四復(fù)合前池進(jìn)水口向左移動10m，流動區(qū)域回流消失，但在泵房2進(jìn)水池前方存在較強(qiáng)的橫向流。

復(fù)合前池水流依據(jù)流動流勢整流是可行的，能得到極大改善水流流態(tài)，但仍不能消除橫向流，故還應(yīng)采用隔離島、底坎等整流措施。

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