泵站前池倒T形底坎整流措施數(shù)值模擬

夏臣智　成立　焦偉軒　張帝

摘要：為了改善泵站前池邊側(cè)大面積回漩不良流態(tài)，基于商用CFD軟件Fluent，運用NS方程和Reliable kε紊流模型對加倒T形底坎的前池進行數(shù)值模擬，分析倒T形底坎的幾何參數(shù)對前池流態(tài)和邊側(cè)流速的影響。結(jié)果表明：無整流措施時，前池中流態(tài)紊亂，通過加設倒T形底坎可顯著改善前池中的流態(tài)，提高邊側(cè)機組的流速，改善前池中流速分布均勻度；倒T形底坎設置在前池中的位置和其上部結(jié)構(gòu)的尺寸對前池整流效果有明顯的影響；倒T形底坎的位置距進水池入口75D，上部結(jié)構(gòu)高為04H，寬為01B，前池中流態(tài)得到明顯改善，邊側(cè)回漩范圍減小。

關(guān)鍵詞：前池；泵站；數(shù)值模擬；倒T形底坎；流態(tài)

中圖分類號：TV131文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02014605

Abstract：

In order to rectify the bad flow pattern at the forebay of the pump station，in this paper we conducted numerical simulation of the forebay with inverted Tshaped sill based on the Fluent software using the NS equation and Reliable [WTB1X]k[WTBX]ε turbulence model，and analyzed the influence of the geometrical parameters of the sill on the flow pattern and lateral flow velocity at the forebay.The results showed that without the rectification measure，the flow pattern at the forebay was turbulent.Adding an inverted Tshaped sill could significantly increase the flow rate of the side unit and improve the uniformity of the velocity distribution at the forebay.The location parameter and superstructure size of the inverted Tshaped sill had significant influence on the flow pattern at the forebay.The recommended location of the inverted Tshaped sill is 75D to the entrance of the intake pool.The recommended superstructure is 0.4H high and 01B wide.

Key words：

forebay；pump station；numerical simulation；inverted Tshaped sill；flow pattern

前池是泵站建筑物中的一個重要組成部分，其設計的優(yōu)劣關(guān)系到水流能否從引水渠平順擴散到進水池。設計不當?shù)那俺刂谐４嬖诖髤^(qū)域的回流，使得水泵的能量和汽蝕性能下降，嚴重時甚至會引起水泵汽蝕和振動，危害泵站安全。同時回流的存在會使得前池內(nèi)有泥沙淤積的問題，進一步惡化進水條件[14]。

目前，國內(nèi)外的學者對前池流態(tài)改善做了大量研究，整流措施主要包括增加前池長度、增大前池擴散角、設置底坎、立柱或壓水板等[510]。馮旭松[11]通過試驗分析了常規(guī)形式底坎的整流機理。成立[12]采用CFD軟件從二維上分析了底坎整流機理。羅燦[13]采用CFD軟件從三維分析了常規(guī)形式底坎的整流機理。已有的研究表明設置底坎對前池中的流態(tài)有明顯的改善，但是未見通過底坎提高前池邊側(cè)的水流流速的研究成果。而有研究表明前池邊側(cè)流速過低，會極大地影響邊側(cè)機組的運行效率，并使得邊側(cè)發(fā)生泥沙淤積更加惡化邊側(cè)機組的進水流態(tài)[1420]。本文針對多機組泵站前池的擴散角過大，誘發(fā)大面積回漩不良流態(tài)，邊側(cè)機組的流速過低，研究了倒T形底坎幾何參數(shù)對改善前池的水流流態(tài)和邊側(cè)機組的流速分布的影響。

1前池及倒T形底坎幾何參數(shù)

本文研究進水正向擴散前池，其模型如圖1所示，主要有涵洞、前池、進水池（1號-10號）和吸水管。

2數(shù)值計算方法及邊界條件

泵站前池內(nèi)流動為不可壓縮湍流流動，該流動可用雷諾時均NS方程和連續(xù)性方程描述。由于前池內(nèi)流動為強曲率流動，采用Reliable [WTB1X]k[WTBX]ε紊流模型要優(yōu)于標準[WTB1X]k[WTBX]ε紊流模型[2123]。

本文基于商用軟件Fluent，采用分離求解器求解離散方程組，采用SIMPLEC算法，求解精度為二階。采用分塊網(wǎng)格技術(shù)，對前池和涵洞采用六面體網(wǎng)格劃分，對結(jié)構(gòu)復雜的進水池采用四面體網(wǎng)格劃分[2425]。通過網(wǎng)格無關(guān)性分析，當網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量大于2×106時，計算結(jié)果趨于穩(wěn)定。計算模型見圖4。

取涵洞的入口側(cè)為質(zhì)量進口，流量為334 L/s。取出水管的出口側(cè)為自由出流出口。固體壁面處設置為標準壁面函數(shù)，且無滑移條件（X、Y、Z方向上的分速度均為0）。自由表面設為對稱邊界條件。

3研究方案

本文研究了倒T形底坎幾何參數(shù)對前池里水流改善，共8種方案。其中方案1為不加任何措施的方案，方案2、3和4分別研究倒T形底坎位置變化對前池進水流態(tài)影響。方案5、6、7和8分別研究倒T形底坎上部結(jié)構(gòu)的頂寬和高度對前池進水流態(tài)影響。具體幾何參數(shù)見表1。倒T形底坎的上部結(jié)構(gòu)正對6號泵組。

4計算結(jié)果及分析

4.1方案[STBZ]1數(shù)模與試驗對比

圖5為方案1計算流線圖。由圖可見，無整流措施時，前池兩側(cè)存在兩個大尺度的回流區(qū)，圖中順水流方向右側(cè)回流區(qū)面積較左側(cè)的回流區(qū)大，主流偏向圖中前池的左側(cè)，進水池流態(tài)紊亂，不僅影響進水池的進水流態(tài)，而且還容易造成前池內(nèi)的泥沙淤積，嚴重影響泵站的運行效率。

4.2倒T形底坎幾何參數(shù)對流態(tài)影響

圖7-圖13為倒T形底坎幾何參數(shù)方案前池計算流線圖。當在前池中加入倒底坎后，前池兩側(cè)的大尺度回流區(qū)的區(qū)域明顯變小，且被限制到在底坎的前部?？埠笾吝M水池前的流線較為平順，無回流區(qū)的存在，進水池的進水流態(tài)得到很好地調(diào)整。

4.2.1倒T形底坎位置對流態(tài)改善影響

底坎距進水池的位置對底坎整流效果有重要的影響，方案2的底坎距離進水池較近（L=5D），坎后水流旋滾的區(qū)域比較小，水體能量得不到充分的交換，影響進水流態(tài)。方案4的底坎距離進水池較遠（L=10D），坎前的回流區(qū)被限制在較小的區(qū)域中，使得水流越過底坎前具有較大的能量，坎后的漩滾區(qū)變長，水流中的能量未被充分的交換就進入進水池內(nèi)，影響進水池內(nèi)流態(tài)。設置合理位置的倒T形底坎后（方案3，L=10D），前池兩側(cè)回流區(qū)被限制到坎前，由于回流區(qū)變小，主流不再向前池的一側(cè)偏斜。

4.2.2[JP3]倒T形底坎上部寬度對流態(tài)改善影響

研究表明，倒T形底坎的上部結(jié)構(gòu)具有分流作用，方案5中的底坎上部結(jié)構(gòu)過?。╔=005B），分流作用不明顯（圖10），方案6中的底坎上部結(jié)構(gòu)過大（X=015B），使得水流經(jīng)過底坎時的過水斷面變小，坎后的漩滾變強（圖11），水力損失變大。當上部結(jié)構(gòu)大小適中時（X=01B）即方案4，坎后漩滾能起到較好的分流和流態(tài)改善作用（圖8）。

4.3倒T形底坎對站前行近流速影響

圖14為方案1和方案3（優(yōu)化方案）的10個機組在11斷面上的行近流速分布比較。由圖可知，方案1機組前行近流速分布呈錐形，中間機組流速高，兩側(cè)機組流速低，兩側(cè)機組（1號、2號、3號、8號、9號和10號）前的行近流速為負值，前池兩側(cè)進水流態(tài)較差。方案3為倒T形底坎措施整流優(yōu)化方案，其行近流速分布較方案1均勻，方案3中間機組行近流速分布更為均勻，流態(tài)改善效果明顯。

4.4倒T形底坎整流效果分析

綜合上述各研究方案，當加入倒T形底坎后，底坎前的水流流速分布為中間大兩側(cè)小，水流流過倒T形底坎，在坎后形成漩滾，水流發(fā)生能量交換，同時受倒T形底坎上部結(jié)構(gòu)的分流作用，在前池兩側(cè)的水流的流速變大，使得機組前的水流流速變得更加均勻，泵組進水池入流得到明顯改善（圖15）。

5結(jié)論

基于CFD技術(shù)，研究了倒T形底坎的位置和其上部結(jié)構(gòu)的寬度及高度對前池流態(tài)的影響。

（1）倒T形底坎能改善大擴散角正向進水前池內(nèi)水流流態(tài)，減少回流區(qū)的范圍。

（2）倒T形底坎對前池兩側(cè)機組行近流速有明顯的提高作用，有助于提高兩側(cè)機組的運行效率，減少前池兩側(cè)的泥沙淤積。

（3）倒T形底坎設置在前池中的位置和其上部結(jié)構(gòu)的尺寸對前池整流效果有明顯的影響。

（4）本文推薦倒T形底坎設置在前池中距進水池入口75D的位置，上部結(jié)構(gòu)高度為04H，寬度為01B。

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