開孔導(dǎo)流墩幾何參數(shù)對閘站工程前池整流效果的影響

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(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 南昌 330029； 3.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 研究背景

受實(shí)際地形及工程投資等客觀因素的限制，閘站結(jié)合式泵站成為平原地區(qū)常見的布置形式，該布置形式特殊，在前池容易發(fā)生嚴(yán)重的回漩、漩渦等不良流態(tài)。為了獲得更好的進(jìn)水流態(tài)，保證泵站的安全運(yùn)行，有必要對閘站結(jié)合式泵站前池的水力特性進(jìn)行研究[1]。對于一般的正向和側(cè)向進(jìn)水形式的泵站，為了改善泵站前池的不良流態(tài)，前人對前池和進(jìn)水池進(jìn)行了整流優(yōu)化研究，采用導(dǎo)流裝置、底坎、壓水板、立柱、組合式導(dǎo)流墩等不同的整流措施，且都取得了較好的改善效果[2-5]。而對于閘站結(jié)合式泵站，其整流優(yōu)化措施主要集中在導(dǎo)流墩的設(shè)置和優(yōu)化。前人對導(dǎo)流墩的長度展開了綜合評價(jià)，并給出了導(dǎo)流墩的建議長度和計(jì)算公式，且通過延長導(dǎo)流墩的長度上移了回漩區(qū)和提高了進(jìn)水流道流速分布均勻度[6-8]。綜上所述，導(dǎo)流墩在閘站結(jié)合式泵站中改善流態(tài)優(yōu)勢明顯，被廣泛使用，但對導(dǎo)流墩的研究主要集中在長度方面，并未涉及到導(dǎo)流墩開孔對改善泵站進(jìn)水流場流態(tài)的作用和效果。

目前，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)已成為探索工程中水力流動性能的重要手段，并且廣泛應(yīng)用于泵站進(jìn)水流態(tài)的研究中[9-13]。本文以某閘站結(jié)合工程為例，采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件將閘站結(jié)合式泵站引河、前池及進(jìn)水流道作為整體來進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其水力特性，以研究不同幾何參數(shù)開孔導(dǎo)流墩對泵站改善流態(tài)的作用和效果，并用物理模型試驗(yàn)對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以期為類似工程提供參考。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)該閘站工程的水力特性特征，前池水流流態(tài)屬于高雷諾數(shù)湍流，故采用Standardk-ε模型求解和SIMPLEC算法對前池的水力特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，采用10-3作為監(jiān)控收斂參數(shù)精度。

2.2 物理模型參數(shù)

基于三維建模軟件UG和Fluent前處理軟件Gambit，建立了三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖1(a)所示。圖1(b)給出了該閘站結(jié)合的平面尺寸，其中D為水泵葉輪的直徑。圖2是導(dǎo)流墩開孔結(jié)構(gòu)示意圖，開孔處是從靠近閘站站身處開始的，其主要參數(shù)包括導(dǎo)流墩的長度L、開孔寬度B、相鄰的孔口中心間距C及開孔高度H。

圖1 計(jì)算區(qū)域及平面尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of the computational domain and plane dimensions

圖2 導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of diversion pier

2.3 計(jì)算工況及模型邊界條件

該閘站工程有2種運(yùn)行工況，即抽排工況和自排工況，其中抽排工況是1#—6#機(jī)組運(yùn)行，7#—9#節(jié)制閘都關(guān)閉；自排工況則是7#—9#節(jié)制閘運(yùn)行，1#—6#機(jī)組關(guān)閉。為研究導(dǎo)流墩幾何參數(shù)對該閘站結(jié)合式泵站前池流態(tài)的影響，選取上述抽排工況作為試驗(yàn)工況。具體分析時(shí)，將引河進(jìn)水?dāng)嗝孀鳛檫M(jìn)口邊界，采用速度進(jìn)口邊界條件，速度為0.27 m/s。自由水面采用剛蓋假定，出口邊界設(shè)為outflow。其余部分都為wall，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

2.4 模型網(wǎng)格無關(guān)性分析

為保證計(jì)算精度，同時(shí)減少計(jì)算工作量，對計(jì)算網(wǎng)格展開無關(guān)性分析，將引河到進(jìn)水流道的水力損失作為特征參數(shù)來確定合適的網(wǎng)格數(shù)。通過計(jì)算和比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)>1 685 634時(shí)，水力損失基本不變，可以滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。

2.5 評價(jià)指標(biāo)

前池的漩渦和進(jìn)水流道入口斷面的流速分布均勻性是評價(jià)前池設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要指標(biāo)。為了綜合考慮漩渦的大小、深度、分布位置等的影響，本文提出漩渦對進(jìn)水流道綜合影響函數(shù)F，計(jì)算公式為

(1)

式中：S為漩渦核心區(qū)所占的面積；A為漩渦核心區(qū)的深度；E為漩渦核心到進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的距離；D為水泵葉輪的直徑。

式(1)中的分子為面積和深度乘積，分母為距離與葉輪直徑平方的乘積，從而得出無量綱的影響函數(shù)F。F越大，表示漩渦對泵站進(jìn)水流道的影響越大，理想情況下，前池流場是沒有漩渦的，F(xiàn)=0。

如圖3所示，截取了橫剖面x=-0.017D斷面作為特征斷面，用來比較進(jìn)水流道前軸向速度的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)測試結(jié)果，并作為各流道入口特征斷面來評價(jià)軸向流速分布均勻度η，η值越大，越符合水泵的進(jìn)水設(shè)計(jì)條件[14]。

圖3 泵站進(jìn)水部分特征斷面Fig.3 Characteristic section of water intake of pump station

3 研究方案

導(dǎo)流墩開孔對泵站進(jìn)水流場的主要影響因素為：導(dǎo)流墩的長度L、開孔寬度B、相鄰的孔口中心間距C及開孔高度H。只有確定了導(dǎo)流墩的長度，才能進(jìn)行其他因素的選取，相鄰孔口中心間距的確定依賴于導(dǎo)流墩的長度和開孔寬度，開孔高度與其他因素沒有必然的關(guān)系，故可以放到最后選取。因此，本文采用單因素遞進(jìn)分析法來研究上述影響因素對進(jìn)水流場的影響，各因素確定的先后順序分別為導(dǎo)流墩的長度L、開孔寬度B、相鄰的孔口中心間距C、開孔高度H。根據(jù)上述所確定的順序設(shè)計(jì)了19個(gè)方案，如表1所示。其中方案1—方案5用于分析導(dǎo)流墩長度對進(jìn)水流場的影響，方案6—方案10用于分析導(dǎo)流墩開孔寬度對進(jìn)水流場的影響，方案11—方案14用于分析導(dǎo)流墩相鄰的孔口中心間距對進(jìn)水流場的影響，方案15—方案19用于分析導(dǎo)流墩開孔高度對進(jìn)水流場的影響。

表1 不同方案的導(dǎo)流墩幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of diversion pier in different schemes

注：h為前池水深

圖4 各流道入口流速均勻度及漩渦綜合影響函數(shù) F值隨導(dǎo)流墩長度的變化Fig.4 Variations of the uniformity of flow velocity at each inlet and the F value of whirlpool effect function against the length of diversion pier

3.1 導(dǎo)流墩長度對進(jìn)水流場的影響

圖4為各流道入口流速分布均勻度及漩渦綜合影響函數(shù)F值隨導(dǎo)流墩長度的變化圖。當(dāng)L<8.62D時(shí)，6#流道流速均勻度逐漸提高，4#和5#流道流速分布均勻度變化不大，F(xiàn)值先減小，但在接近L=8.62D之前有少許增加。當(dāng)L>8.62D時(shí)，6#流道流速分布均勻度增大，4#和5#流道流速分布均勻度下降，F(xiàn)值一直增大。2#和3#流道入口流速均勻度的整體變化趨勢相似，隨著導(dǎo)流墩長度的增加，其流速均勻度逐步增大且變化幅度逐步減弱。1#流道入口流速均勻度先增大后減小，但變化幅度不大。

分析表明，當(dāng)導(dǎo)流墩的長度適中時(shí)(方案2，L=8.62D)，前池的流態(tài)更好，流速分布更均勻。

3.2 導(dǎo)流墩開孔寬度對進(jìn)水流場的影響

圖5是流速分布均勻度及漩渦綜合影響函數(shù)F值隨導(dǎo)流墩開孔寬度的變化圖。當(dāng)B<1.55D時(shí)，6#進(jìn)水流道流速分布均勻度隨著開孔寬度的增加明顯得到提高，其余5個(gè)進(jìn)水流道流速分布均勻度隨著開孔寬度的增加也得到提高，但變化幅度不大，F(xiàn)值隨著導(dǎo)流墩的開孔寬度增大逐步減小。當(dāng)B>1.55D時(shí)，2#，3#，4#和6#進(jìn)水流道均勻度基本不變，1#和5#進(jìn)水流道均勻度略有下降，F(xiàn)值略有增大。

圖5 各流道入口流速均勻度及漩渦綜合影響函數(shù) F值隨導(dǎo)流墩開孔寬度的變化Fig.5 Variations of the uniformity of flow velocity at each inlet and the F value of whirlpool effect function against orifice width of the diversion pier

分析表明，導(dǎo)流墩開孔能夠減少導(dǎo)流墩附近的回流區(qū)，且能提高流道流速分布均勻度。開孔的寬度適中時(shí)(方案9，B=1.55D)，前池的流態(tài)更好，流速分布更均勻。

3.3 導(dǎo)流墩相鄰的孔口中心間距對進(jìn)水流場的影響

圖6為流速分布均勻度及漩渦綜合影響函數(shù)F值隨導(dǎo)流墩相鄰孔口中心間距的變化圖。當(dāng)C<2.16D時(shí)，6#流道流速分布均勻度隨著間距的增大而提高，F(xiàn)值隨著相鄰的孔口中心間距增大逐步減小；當(dāng)C>2.16D時(shí)，6#流道入口流速分布均勻度則隨著間距的增大逐漸降低，F(xiàn)值隨著間距的增大逐漸提高。其余5個(gè)進(jìn)水流道流速分布均勻度隨著孔口中心間距變化幅度不大。

圖6 各流道入口流速均勻度及漩渦綜合影響函數(shù) F值隨相鄰孔口中心間距的變化Fig.6 Variations of the uniformity of flow velocity at each inlet and the F value of whirlpool effect function against the distance between the centers of two adjacent orifices

分析表明，導(dǎo)流墩開孔的孔口中心間距適中時(shí)(方案9，C=2.16D)，前池回漩區(qū)相對較小，流道進(jìn)口流速分布更均勻。

3.4 導(dǎo)流墩開孔高度對進(jìn)水流場的影響

圖7為流速分布均勻度及漩渦綜合影響函數(shù)F值隨導(dǎo)流墩開孔高度的變化圖。當(dāng)H<0.66h時(shí)，6#流道流速分布均勻度隨著開孔高度的增大而波動增大，F(xiàn)值隨著開孔高度增大逐步減?。划?dāng)H>0.66h時(shí)，6#流道流速分布均勻度則隨著開孔高度的增大逐漸降低，F(xiàn)值隨著開孔高度的增大略有增大。其余5個(gè)進(jìn)水流道流速分布均勻度隨著開孔高度變化幅度不大。

圖7 各流道入口流速均勻度及漩渦綜合影響函數(shù) F值隨導(dǎo)流墩開孔高度變化Fig.7 Variations of the uniformity of flow velocity at each inlet and the F value of whirlpool effect function against the height of orifice on the diversion pier

分析表明，導(dǎo)流墩開孔高度適中時(shí)(方案18，H=0.66h)，前池回漩區(qū)相對較小，前池的流態(tài)更好，流速分布更均勻。

以上計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)開孔導(dǎo)流墩長度為8.62D、開孔寬度為1.55D、相鄰的孔口中心為2.16D、開孔高度為0.66h(方案18)時(shí)，前池流態(tài)最好，且顯著改善了導(dǎo)流墩附近的6#流道流態(tài)，相比于同樣長度未開孔導(dǎo)流墩(方案2)6#流道進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度提高了7.24%。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)有的CFD計(jì)算結(jié)果表明，達(dá)到前池流態(tài)最好的為方案18。為了進(jìn)一步分析數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的差異，在進(jìn)水流道前橫剖面x=-0.017D豎直方向上取2條測線，分別記作L1和L2，2條測線上的豎直坐標(biāo)分別為z=0.33h和z=h。

圖8為各進(jìn)水流道前水流軸向流速數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。由圖8可知，按照方案18優(yōu)化后，行進(jìn)平均流速比較均勻，說明該方案下前池內(nèi)的流態(tài)得到很好的改善，數(shù)值模擬出的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本呈現(xiàn)出一致的趨勢，這說明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖8 進(jìn)水流道前水流軸向流速的試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Test and numerical results of axial velocity of flow at water intake passages

5 結(jié) 論

本文采用CFD軟件對某閘站結(jié)合工程水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了導(dǎo)流墩的長度、開孔寬度、相鄰孔口中心間距及開孔高度變化對前池流態(tài)的影響，并與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，得到如下結(jié)論：

(1)閘站結(jié)合工程設(shè)置合適長度的導(dǎo)流墩是必要的，當(dāng)導(dǎo)流墩的長度過長或過短時(shí)，前池流態(tài)較差，水泵入口流速分布不均勻。

(2)閘站結(jié)合工程導(dǎo)流墩開孔能夠更有效地改善前池流態(tài)，減少導(dǎo)流墩附近的回漩區(qū)，提高水泵入口流速分布均勻度。當(dāng)開孔導(dǎo)流墩長度為8.62D、開孔寬度為1.55D、相鄰的孔口中心為2.16D、開孔高度為0.66h時(shí)，前池內(nèi)流態(tài)得到很好的改善，水泵入口流速分布更均勻，漩渦綜合影響函數(shù)更低。

(3)對于閘站結(jié)合式工程，當(dāng)通過改變導(dǎo)流墩的長度來改進(jìn)進(jìn)水流場效果不太明顯時(shí)，可通過對導(dǎo)流墩適當(dāng)開孔來改善前池流態(tài)，提高水泵入口流速分布均勻度。