斜向管涵進(jìn)流城市雨水泵站箱涵流態(tài)分析及整流措施研究

張 睿，徐 輝，陳毓陵，馮建剛，周春天，王曉升

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

雨水泵站主要用于排除城市低洼地帶以及雨水管道系統(tǒng)中的積水，對(duì)于防止城市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于受到城市規(guī)劃、地形以及管網(wǎng)布置等條件限制，城市雨水泵站占地面積偏小且其進(jìn)水建筑物結(jié)構(gòu)較為緊湊，往往難以按照泵站設(shè)計(jì)規(guī)范中水力條件良好的要求進(jìn)行布置，由此容易造成泵站進(jìn)水建筑物內(nèi)產(chǎn)生旋渦、回流、偏流等不良流態(tài)，嚴(yán)重影響泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1］。因此，改善城市雨水泵站進(jìn)水建筑物內(nèi)的不良流態(tài)，對(duì)于保障其運(yùn)行的安全可靠性具有重要意義。

泵站進(jìn)水流態(tài)改善的研究方法主要包括物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，其中，與物理模型試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬計(jì)算的成本低、周期短，并且可以獲得更為豐富的流場(chǎng)信息，特別是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法的不斷完善，CFD數(shù)值模擬被越來(lái)越多的學(xué)者所認(rèn)可，成為泵站工程水力流動(dòng)特性分析及整流措施研究的重要手段［2-5］。高傳昌等［6］針對(duì)田山一級(jí)泵站前池和進(jìn)水池?cái)M選的不同整流方案進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，比選出了適合于該泵站前池與進(jìn)水池的整流措施；劉梅清等［7］對(duì)某泵站前池進(jìn)行了湍流模型適用性分析，采用Realizable k-ε模型開(kāi)展了導(dǎo)流墩消渦最佳布置方案的數(shù)值模擬研究；成立等［8］對(duì)加Y形導(dǎo)流墩的正向進(jìn)水泵站前池流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了Y形導(dǎo)流墩幾何參數(shù)對(duì)前池流態(tài)改善的影響；資丹等［9-10］采用CFD技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的手段，開(kāi)展了大型泵站進(jìn)水流場(chǎng)組合式導(dǎo)流墩整流優(yōu)化研究，分析了組合式導(dǎo)流墩在大型泵站進(jìn)水流場(chǎng)改善流態(tài)的作用和效果；周濟(jì)人等［11］應(yīng)用CFX軟件分析了側(cè)向進(jìn)水泵站的前池流態(tài)，并分別對(duì)Y型導(dǎo)流墩、底坎及導(dǎo)流墻等措施的整流特點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值研究。

目前關(guān)于泵站進(jìn)水流態(tài)的改善主要集中于前池、進(jìn)水池內(nèi)的整流措施研究，而對(duì)于城市雨水泵站，因受管線布置約束需要采用斜向管涵進(jìn)流形式，容易導(dǎo)致箱涵內(nèi)流態(tài)不良且各孔流量分配不均。由于城市雨水泵站前池、進(jìn)水池的結(jié)構(gòu)尺寸偏緊，整流措施布置空間有限，再加之不良進(jìn)水條件會(huì)顯著增大前池、進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)改善的難度，將不利于泵站高效穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本文以某典型斜向管涵進(jìn)流城市雨水泵站為例，采用CFD方法深入開(kāi)展箱涵水力流態(tài)特性分析，研究存在的不良流態(tài)，提出并分析優(yōu)化整流方案，再通過(guò)物理模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2 計(jì)算模型與數(shù)值方法

2.1 幾何模型和計(jì)算區(qū)域 圖1所示的是本文所研究的斜向管涵進(jìn)流城市雨水泵站平面和立面布置示意圖，該泵站的進(jìn)水系統(tǒng)主要包括：進(jìn)水總管、閘門井、箱涵、前池、進(jìn)水池以及水泵機(jī)組。進(jìn)水總管與泵站箱涵的中心線夾角為20°，箱涵采用4孔進(jìn)流且正對(duì)泵站前池；泵站水泵機(jī)組采用的是6臺(tái)大小搭配的潛水軸流泵，其中位于中間位置的3#、4#泵的設(shè)計(jì)流量為2.04 m3/s，剩余4臺(tái)泵的設(shè)計(jì)流量為4.08 m3/s，泵站設(shè)計(jì)總流量為20.4 m3/s。根據(jù)圖1建立泵站進(jìn)水系統(tǒng)的三維幾何模型，如圖2所示。

圖1 城市雨水泵站平面和立面布置（單位：m）

2.2 控制方程與湍流模型 泵站內(nèi)的水流通常處于湍流狀態(tài)，并且泵站進(jìn)水建筑物內(nèi)往往存在旋渦、回流以及邊壁脫流等不良流態(tài)。因此，本文的數(shù)值計(jì)算基于雷諾時(shí)均方法（Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations，RANS），選用RNG（Renormalization Group，重整化群）k-ε湍流模型對(duì)泵站內(nèi)的三維不可壓縮湍流進(jìn)行求解。采用基于有限元的有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格式，其他項(xiàng)采用中心差分格式，流場(chǎng)的求解采用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法。

2.3 邊界條件及計(jì)算網(wǎng)格 對(duì)于邊界條件，泵站進(jìn)水總管入口采用總壓進(jìn)口邊界，水泵出口分別給定其各自的設(shè)計(jì)流量，固壁采用無(wú)滑移邊界條件；由于閘門井及前池水面波動(dòng)較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，基于剛蓋假定將自由水面設(shè)定為對(duì)稱面進(jìn)行處理；應(yīng)用能自動(dòng)調(diào)節(jié)以適應(yīng)滿足計(jì)算要求的可伸縮壁面函數(shù)處理近壁區(qū)流動(dòng)。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的泵站模型，計(jì)算網(wǎng)格采用自適性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［12］，參見(jiàn)圖3。

為減小計(jì)算網(wǎng)格對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，利用基于Richardson外推法的網(wǎng)格收斂指數(shù)法（GCI）［13］對(duì)計(jì)算網(wǎng)格引起的截?cái)嗾`差和計(jì)算精度進(jìn)行評(píng)估，分別建立了3套網(wǎng)格方案：方案1的網(wǎng)格單元數(shù)為4 010 078、y+范圍為11.7～983.6，方案2的網(wǎng)格單元數(shù)為1 781 084、y+范圍為18.6～1378.2，方案3的網(wǎng)格單元數(shù)為800 706、y+范圍為28.3～2075.8，則網(wǎng)格方案1相對(duì)方案2、方案2相對(duì)方案3的網(wǎng)格加密因子r21和r32分別約為1.311和1.305。根據(jù)GCI方法，選擇以進(jìn)水總管進(jìn)口至前池進(jìn)口的水力損失?h為特征參數(shù)進(jìn)行分析，具體結(jié)果參見(jiàn)表1，其中，數(shù)值計(jì)算得到的網(wǎng)格方案1～3的水力損失?h1、?h2、?h3分別為0.11、0.108和0.102 m，顯然隨著網(wǎng)格的加密均呈單調(diào)變化，表明在目前網(wǎng)格上的數(shù)值計(jì)算結(jié)果是單調(diào)收斂的；同時(shí)，分析求得水力損失?h的外推相對(duì)誤差eext和相對(duì)誤差ea分別為0.9%和1.8%、網(wǎng)格收斂指數(shù)值GCIf為1.12%，均小于5%，表明密網(wǎng)格（方案1）的網(wǎng)格離散誤差較小、計(jì)算精度較好，可作為數(shù)值計(jì)算用網(wǎng)格。

表1 計(jì)算網(wǎng)格離散誤差估計(jì)［14］

圖2 城市雨水泵站進(jìn)水系統(tǒng)的三維幾何模型

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

3 初步方案的流態(tài)分析

圖4所示的是泵站初步方案閘門井、箱涵以及前池進(jìn)口區(qū)域的三維流線圖。由圖4可知，水流從進(jìn)水總管斜向流入閘門井內(nèi)，因其為圓管突擴(kuò)入流使得進(jìn)入閘門井的水流未能充分?jǐn)U散，表現(xiàn)為主流集中且在其兩側(cè)形成大尺度的旋渦區(qū)。對(duì)于斜向集中水流在撞擊到箱涵進(jìn)口中隔墩后分別向左右兩側(cè)分流：對(duì)于左側(cè)水流（沿主流方向看），因受箱涵中隔墩阻擋而向左偏折的大部分水流進(jìn)入到孔2內(nèi)，僅少量水流能夠進(jìn)入到孔1中；對(duì)于右側(cè)水流，由于閘門井入流本身偏向右側(cè)，而箱涵中隔墩的阻擋則加劇了其向右偏斜的程度，使得右側(cè)大部分水流順勢(shì)進(jìn)入到孔4中。由此可見(jiàn)，斜向管涵進(jìn)流容易造成泵站箱涵各孔的流量分配出現(xiàn)不均問(wèn)題，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，箱涵孔2和4的過(guò)流流量分別占總流量的42.52%和38.41%，而箱涵孔1和3的過(guò)流流量分別占總流量的13.96%和5.11%。為進(jìn)一步了解閘門井、箱涵及前池進(jìn)口處的流場(chǎng)特性，選取如圖5所示的典型斷面進(jìn)行分析，其中水平截面P為箱涵的中截面，垂直截面A、B、C、D分別為距離箱涵4孔出口0.5 m處的過(guò)流斷面。

圖4 初步方案的三維流線圖

圖5 選取的典型斷面

圖6所示的是水平截面P上的速度分布云圖及矢量圖，從圖中可以明顯看出，閘門井內(nèi)斜向進(jìn)流存在主流集中且其兩側(cè)存在旋渦區(qū)，箱涵各孔內(nèi)的流量分配存在顯著差異。此外，由圖6還可以看出，箱涵各孔內(nèi)的流速分布不均，其中孔1內(nèi)水流流速偏低且在其末端水流存在一定的偏流，孔2內(nèi)流速較高且在箱涵孔擴(kuò)散段末端區(qū)域存在邊壁脫流現(xiàn)象，孔4內(nèi)存在明顯偏流且沿流向右側(cè)水流流速較高，而流量分配最低的孔3內(nèi)水流流速明顯偏低，并存在旋渦、回流等不良流態(tài)。結(jié)合圖7所示的箱涵4孔臨近出口截面上沿主流方向的速度分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，箱涵的流量分配不均導(dǎo)致其各孔出口截面的流速分布存在顯著差異，引起前池進(jìn)口處產(chǎn)生橫向流動(dòng)，進(jìn)而造成不良的進(jìn)流條件。

圖6 水平截面P上的速度分布云圖及矢量圖

圖7 箱涵4孔出口截面的速度分布云圖

4 箱涵進(jìn)水整流措施研究

4.1 整流措施方案設(shè)計(jì) 由于斜向管涵進(jìn)流在閘門井內(nèi)未能充分?jǐn)U散而表現(xiàn)為主流集中，繼而導(dǎo)致箱涵各孔流量分配不均，并引起閘門井、箱涵以及前池內(nèi)出現(xiàn)不良流態(tài)。因此，擬通過(guò)在閘門井內(nèi)設(shè)置整流措施從而對(duì)水流進(jìn)行均化，以實(shí)現(xiàn)提高箱涵各孔的流量分配均勻性和改善流態(tài)的目的。作為一種新型整流措施，組合梁結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單且引起的水力損失較小，常被用于均化城市泵站前池進(jìn)流。本文將組合梁措施應(yīng)用于閘門井內(nèi)并分析其整流效果，同時(shí)為了獲得更為理想的改善效果，設(shè)計(jì)了結(jié)合導(dǎo)流墩的另外兩種組合式整流方案進(jìn)行比較分析，各整流方案的結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖8所示。

對(duì)于整流方案1，如圖8（a）所示，它是由沿垂向布置的正對(duì)箱涵且過(guò)閘門井圓心的3根橫梁組成；對(duì)于整流方案2，參見(jiàn)圖8（b），它是在方案1的基礎(chǔ)上增設(shè)了正對(duì)進(jìn)水總管中心線的分流墩；而整流方案3是基于方案2，在分流墩兩側(cè)相背布置了短導(dǎo)流墩，其具體的結(jié)構(gòu)尺寸如圖8（c）所示。

圖9所示的是建立的上述3種整流方案的三維幾何模型，下面將基于CFD數(shù)值模擬方法對(duì)比分析3種整流措施的改善效果。

圖8 在閘門井中設(shè)計(jì)的3種整流方案的結(jié)構(gòu)布置（單位：mm）

圖9 泵站閘門井中的三種整流措施的三維幾何模型

4.2 整流效果分析 分別采用上述3種整流方案后的泵站閘門井、箱涵及前池進(jìn)口處的進(jìn)水流態(tài)如圖10所示，與初步方案相比（參見(jiàn)圖4和圖6），各整流方案對(duì)泵站進(jìn)水流態(tài)的整流效果存在明顯差異。

對(duì)于整流方案1，參見(jiàn)圖10（a），組合梁對(duì)閘門井斜向入流起到一定的均化作用，但是進(jìn)入箱涵內(nèi)的水流仍存在流量分配不均，其中箱涵兩側(cè)邊孔的流量分配較多，分別占總流量的35.39%（孔1）和40.04%（孔4），中間兩孔流量分配偏低，分別占總流量的11.25%（孔2）和13.32%（孔3）。此外，孔4內(nèi)仍存在明顯的偏流現(xiàn)象，并且流量分配較低的孔2和孔3內(nèi)存在回流、旋渦等不良水流流態(tài)，同時(shí)泵站前池的進(jìn)口處仍存在著明顯的橫向流動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于整流方案2，參見(jiàn)圖10（b），通過(guò)在組合梁前增設(shè)正對(duì)進(jìn)水總管中心的分流墩，使得進(jìn)入閘門井的斜向入流先被分流。其中，對(duì)于右側(cè)水流（沿流動(dòng)方向看），仍保持原有方向繼續(xù)流動(dòng)；而對(duì)于左側(cè)水流，由于分流墩左側(cè)邊壁為彎折形結(jié)構(gòu)，使得左側(cè)水流從斜向變?yōu)檎蜻M(jìn)流。兩股水流在經(jīng)過(guò)組合梁時(shí)均得到一定均化，孔1—4的流量分別占總流量的33.92%、15.44%、14.44%和36.21%，相比整流方案1，箱涵各孔的流量分配均化程度略有增加，但是在箱涵內(nèi)及其出口處仍存在不良流態(tài)，箱涵流量分配均勻性及流速分布情況仍需進(jìn)一步改善。對(duì)于整流方案3，如圖10（c）所示，在整流方案2的基礎(chǔ)上，通過(guò)在分流墩兩側(cè)且在組合梁前后相背布置短導(dǎo)流墩，對(duì)分流墩兩側(cè)的分流進(jìn)一步起到均化和導(dǎo)流作用，相比初步方案及其他兩個(gè)整流方案，不僅箱涵各孔內(nèi)的流量分配變得更為均勻，使得孔1—4的流量分別占總流量的23.96%、25.49%、22.48%以及28.07%，而且箱涵各孔內(nèi)及前池進(jìn)口處的水流流態(tài)都得到了顯著的改善。

圖10 各整流方案的進(jìn)水流態(tài)

圖11所示的是各整流方案箱涵4孔出口A、B、C、D截面上沿主流方向的速度分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相比其他方案，整流方案3有效提高了箱涵各孔出流速度的均勻性。

4.3 箱涵流量分配特性分析 為更好地評(píng)估3種整流方案對(duì)泵站箱涵流量分配特性的改善效果，下面對(duì)箱涵各孔流量分配不平衡度Ei和總流量分配均勻度S這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較分析，其中Ei和S分別定義為：

式中：Qi為第i孔內(nèi)水流流量，m3/s；Qa為箱涵各孔的平均流量，m3/s；n為箱涵孔數(shù)，即n=4。

圖12所示的是初步方案和3個(gè)整流方案的箱涵各孔流量分配不平衡度Ei值的分布情況，其中Ei值越接近于0表示該孔的流量分配均化程度越高。從圖12中可以看出，初步方案的箱涵流量分配不均現(xiàn)象比較嚴(yán)重，其中孔2與孔4的流量分配明顯偏大，分別達(dá)到了0.175和0.134，孔1與孔3流量分配則偏低，分別為-0.11和-0.199。通過(guò)在閘門井內(nèi)設(shè)置整流措施，可以改善箱涵流量分配的均勻程度。其中，整流方案1和2改善的效果不夠顯著，而整流方案3可以有效提高箱涵各孔的流量分配的均勻程度，使得各孔的Ei值縮小至±0.03之間。

圖11 各整流方案箱涵4孔出口截面的速度分布云圖

整流前后各方案箱涵的總流量分配均勻度S如圖13所示，其中總流量分配均勻度S值越接近于1，表明箱涵各孔的流量分配越均勻。從圖13中可以明顯看出，未設(shè)置整流措施的初步方案，箱涵的總流量分配均勻度S明顯偏低，僅為0.268；而通過(guò)在閘門井內(nèi)設(shè)置整流措施是可以提高箱涵各孔的流量分配均勻程度，其中整流方案3的改善程度最為顯著，其能夠?qū)⒖偭髁糠峙渚鶆蚨萐值提高至0.905。因此，可以通過(guò)在閘門井內(nèi)設(shè)置整流方案3，以提高該城市雨水泵站箱涵的流量分配特性。

圖12 箱涵各孔的流量分配不平衡度值

圖13 各方案總流量分配均勻度對(duì)比

4.4 物理模型的驗(yàn)證分析 為進(jìn)一步驗(yàn)證整流方案3的改善效果，基于物理模型試驗(yàn)對(duì)比分析整流前后箱涵出口、進(jìn)水池進(jìn)口處典型斷面的流速分布情況。物理模型按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮模型水流在阻力平方區(qū)要求以及模型泵的選擇，確定模型線性比尺λl=8，物理模型實(shí)物照片如圖14所示。圖15所示的是物理模型中典型斷面及測(cè)點(diǎn)的布置情況，其中斷面A位于箱涵孔內(nèi)距離箱涵出口的62.5 mm處，斷面B位于距離進(jìn)水池進(jìn)口前75 mm處，在水平方向上箱涵各孔內(nèi)及各水泵進(jìn)水池進(jìn)口前均布置3條測(cè)量垂線，每條垂線從近水底至近水面均布9層垂向測(cè)點(diǎn)。采用ADV（聲學(xué)多普勒流速儀）對(duì)各測(cè)點(diǎn)的流速進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)每條測(cè)量垂線上的測(cè)點(diǎn)沿前池主流方向的速度分量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均及相似換算，獲得整流前后各典型斷面測(cè)點(diǎn)的垂線平均流速分布圖，參見(jiàn)圖16。圖17為整流前后數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到的箱涵各孔的流量分配系數(shù)（各孔流量占總流量的百分比）對(duì)比圖。

圖14 物理模型實(shí)物照片（整流方案3）

圖15 典型斷面及測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

結(jié)合圖16和17可以發(fā)現(xiàn)，泵站初步方案箱涵各孔出口流速分布不均、流量分配差異明顯，其中箱涵孔2和孔4的流量分配偏大且流速較高、孔1和孔3流量分配偏小且流速較低，同時(shí)由于箱涵出口流速分布不均勻直接影響了前池進(jìn)水流態(tài)，進(jìn)而造成進(jìn)水池進(jìn)口前流速分布不均；通過(guò)在閘門井內(nèi)設(shè)置整流方案3，顯著改善了箱涵各孔的流量分配特性以及提高了箱涵各孔的出口、進(jìn)水池進(jìn)口前的流速分布均勻程度。圖18所示的是整流方案3箱涵出口、進(jìn)水池進(jìn)口前物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算統(tǒng)計(jì)得到的典型斷面測(cè)點(diǎn)沿主流方向的流速分布對(duì)比圖。由圖17和圖18可知，無(wú)論是從箱涵各孔流量分配系數(shù)的分布規(guī)律，還是典型斷面測(cè)點(diǎn)的流速分布規(guī)律來(lái)看，物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果較為吻合，從而驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的可靠性。

圖16 典型斷面測(cè)點(diǎn)垂線平均流速分布（單位：m/s）

圖17 箱涵各孔流量分配系數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

圖18 整流方案3各測(cè)量垂線沿主流方向分速度對(duì)比

針對(duì)某斜向管涵進(jìn)流形式的城市雨水泵站，開(kāi)展箱涵進(jìn)水流態(tài)分析及其整流措施研究，取得了以下主要結(jié)論：（1）斜向管涵進(jìn)流因受慣性力影響，水流未能在閘門井內(nèi)充分?jǐn)U散而表現(xiàn)為主流集中且在其兩側(cè)形成大尺度的旋渦區(qū)；斜向進(jìn)流容易導(dǎo)致箱涵各孔的流量分配不均，引起箱涵孔內(nèi)產(chǎn)生偏流、回流、旋渦等不良水力現(xiàn)象，惡化了前池和進(jìn)水池進(jìn)水流態(tài)，不利于泵站安全運(yùn)行。（2）閘門井內(nèi)設(shè)置“分流墩、組合梁以及相背布置短導(dǎo)流墩”的組合式措施對(duì)斜向進(jìn)流的整流效果最為顯著；分流墩對(duì)閘門井斜向進(jìn)流首先進(jìn)行有效分流，其中一側(cè)水流受到分流墩的導(dǎo)流作用而轉(zhuǎn)為正向進(jìn)流，再受到組合梁均化作用及后置短導(dǎo)流墩的分流作用變得較為均勻，另一側(cè)水流則繼續(xù)沿斜向流動(dòng)，受到前置短導(dǎo)流墩的導(dǎo)流及分流作用及組合梁的均化作用而得到有效均化，從而最終改善了閘門井、箱涵、前池進(jìn)口處的水流流態(tài)以及提高了箱涵各孔的流量分配均勻程度。（3）物理模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了整流措施方案的有效性和數(shù)值模擬方法的可靠性。

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