圓形立柱對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站前池流態(tài)的影響及其整流機(jī)理

周 曼, 周春峰, 周艷霞, 許 龍, 成 立*

(1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009; 2. 南京市水務(wù)局水務(wù)設(shè)施管理中心, 南京 210036;3. 江蘇省鹽城市大豐區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 江蘇 大豐 224100; 4. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200093)

受地理位置限制,部分泵站前池為側(cè)向進(jìn)水,前池水流易出現(xiàn)回流、流速不均等現(xiàn)象[1], 導(dǎo)致水泵的汽蝕和振動(dòng)[2], 降低水泵工作效率、縮短使用年限,嚴(yán)重時(shí)危害泵站安全．改善前池流態(tài)的措施一般包括優(yōu)化前池的長(zhǎng)度和擴(kuò)散角,設(shè)置底坎[3]、立柱、導(dǎo)流板、壓水板和導(dǎo)流墩等．周濟(jì)人等[4]利用示蹤物準(zhǔn)確描繪出回流、漩渦區(qū)域來(lái)分析立柱和底坎的整流原理; 夏臣智等[5]采用Fluent軟件分析單排方柱數(shù)目、位置和寬度等參數(shù)對(duì)前池流態(tài)的影響,確定最優(yōu)參數(shù)以改善流態(tài);羅燦等[6]利用CFD技術(shù)對(duì)加設(shè)了立柱、隔墩和隔板的前池流態(tài)進(jìn)行模擬; 資丹等[7]采用CFD技術(shù)對(duì)前池和進(jìn)水池進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析了組合式導(dǎo)流墩的整流機(jī)理．目前的研究主要針對(duì)正向進(jìn)水前池中的底坎、導(dǎo)流墩和方柱等, 關(guān)于側(cè)向進(jìn)水前池單排圓形立柱整流機(jī)理的研究較少．本文采用CFD技術(shù)[8]模擬圓形立柱參數(shù)對(duì)側(cè)向進(jìn)水前池流態(tài)、回流區(qū)范圍和流速均勻度的影響,確定最佳整流方案,為相關(guān)泵站設(shè)計(jì)提供參考．

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.2 模型參數(shù)

本文以某泵站側(cè)向進(jìn)水前池為研究對(duì)象, 前池模型和圓形立柱示意圖如圖1所示．一期泵站有4臺(tái)側(cè)向進(jìn)水水泵, 為了向徐州市豐沛地區(qū)輸送更多的水, 緩解該地區(qū)用水緊張的狀況,后在原引渠側(cè)向方位修建了二期泵站,含5臺(tái)水泵, 單泵流量均為2.5 m3·s-1．相關(guān)參數(shù)包括吸水管直徑D0, 進(jìn)水池寬度B, 圓形立柱中心至進(jìn)水池距離L, 圓形立柱直徑D, 立柱間距L1, 設(shè)置立柱區(qū)域總長(zhǎng)L2, 立柱高度H, 立柱數(shù)量N．?dāng)嗝?-1為行近流速斷面, 距離進(jìn)水池0.4D0, 斷面2-2為模型進(jìn)口斷面．

1.3 邊界條件設(shè)置

將引渠、前池、進(jìn)水池和水泵內(nèi)的水體作為計(jì)算區(qū)域, 按照水流方向確定邊界條件, 將引渠斷面作為質(zhì)量入口[11], 設(shè)流量為22.5 m3·s-1, 湍流率為5%; 將出水管斷面作為自由出流口, 壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[12], 忽略液體表面與空氣之間的熱傳導(dǎo)作用．

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

計(jì)算采用CFX軟件, 離散格式為一階迎風(fēng)格式．對(duì)引渠、前池和進(jìn)水池采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格化分．為確定合理的網(wǎng)格計(jì)算數(shù)量, 設(shè)計(jì)了不同尺寸的網(wǎng)格化分方案, 網(wǎng)格數(shù)分別為69.8萬(wàn)、91.4萬(wàn)、117.4萬(wàn)、143.7萬(wàn)、169.3萬(wàn)、191.7萬(wàn)、220.9萬(wàn)、250.3萬(wàn)、281.2萬(wàn)和310.4萬(wàn)．網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)判指標(biāo)為引渠、前池、進(jìn)水池和吸水管的水力總損失Hf=(Pin-Pout)/(ρg), 式中Pin和Pout分別為進(jìn)口斷面2-2和吸水管出口斷面的壓強(qiáng);g為重力加速度, 取9.8 m·s-2．圖2為不同網(wǎng)格數(shù)量模型水力損失的計(jì)算結(jié)果．由圖2可知,網(wǎng)格數(shù)量少于220萬(wàn)時(shí), 水力損失數(shù)值波動(dòng)較大, 當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)220萬(wàn)時(shí), 水力損失變化較小, 故以網(wǎng)格數(shù)為220萬(wàn)進(jìn)行計(jì)算, 網(wǎng)格質(zhì)量為0.83．

2 研究方案

為研究圓形立柱的整流機(jī)理, 設(shè)計(jì)了如表1所示的9組方案: 方案1～3研究單排立柱與進(jìn)水池的距離L對(duì)流態(tài)的影響; 方案3～5研究立柱間距L1的大小對(duì)流態(tài)的影響; 方案4、6～7研究立柱直徑D對(duì)水流的影響; 方案6、8～9研究立柱間距L1一定時(shí), 立柱數(shù)量N對(duì)水流的影響．各參數(shù)詳見(jiàn)表1．

表1 圓形立柱整流方案

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3和4分別是不同整流方案下的前池面層流線圖, 行近流速和流速均勻度圖．由圖3(a)、4(a)可知, 無(wú)圓形立柱時(shí), 邊坡處有較大范圍的回流, 斷面1-1流速分布不均, 1、2號(hào)機(jī)組流速較小, 其余機(jī)組的流速較大．流速過(guò)大會(huì)加速水泵的磨損, 流速較小又降低水泵的效率, 所以本文通過(guò)加設(shè)圓形立柱以改善前池流態(tài)．模型試驗(yàn)中以Froude準(zhǔn)則為基礎(chǔ), 模擬泵站前池進(jìn)水流態(tài), 預(yù)演出前池的回流區(qū)域,并用光電式旋漿流速儀測(cè)定流速．對(duì)比試驗(yàn)測(cè)得的斷面1-1的行近流速值(見(jiàn)圖4(a)), 1號(hào)機(jī)組至5號(hào)機(jī)組的流速逐漸增大,數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值大小及變化趨勢(shì)基本一致, 表明該數(shù)值模擬方法適用于研究側(cè)向進(jìn)水前池整流問(wèn)題．

3.1 立柱與進(jìn)水池距離對(duì)流態(tài)的影響

對(duì)比圖3(a)～(d)可知, 二期泵站設(shè)立圓形立柱后邊坡處的回流區(qū)的范圍明顯縮小,流速更均勻．方案1中單排圓形立柱因距離進(jìn)水池較近,靠近回流區(qū), 故沒(méi)有足夠距離讓水流充分碰撞,進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)仍有待改善．方案2中單排圓形立柱離進(jìn)水池較遠(yuǎn),故立柱較早地改變了流入二期泵站的水流方向,使之與二期泵站中軸線的夾角加大,加重弧形導(dǎo)流壁的負(fù)擔(dān), 不利于提高機(jī)組流速均勻度．方案3中單排圓形立柱位置適中,較多的水流繞過(guò)立柱流入立柱與邊坡之間,流速較大,使得邊坡處的回流區(qū)范圍縮小,同時(shí)有足夠的距離進(jìn)行能量交換和流速調(diào)整．由圖4可知,方案3的行近流速更均勻,流速均勻度較高．

3.2 立柱間距對(duì)流態(tài)的影響

由圖3(d)～(f)可知,當(dāng)單排立柱總長(zhǎng)一定時(shí), 圓形立柱間距L1對(duì)進(jìn)水池流態(tài)和回流區(qū)范圍均有明顯的影響．由于方案4的立柱間距較小, 阻水分流效果明顯,大部分水流繞過(guò)兩側(cè)立柱,流往邊坡處,使得兩側(cè)水流速度增大,回流區(qū)范圍顯著縮?。桨?和方案5的圓形立柱間距較大,阻水分流作用較弱,回流區(qū)范圍較大,影響進(jìn)水池流態(tài)．由圖4可見(jiàn), 方案4流速均勻度相對(duì)較高,且回流區(qū)較小, 整流效果較好．

3.3 立柱直徑對(duì)流態(tài)的影響

對(duì)比圖3(e)(h)可知, 立柱直徑較大的方案7與方案4相比,其繞過(guò)圓形立柱的水流因斷面減小, 流速迅速增大,可破壞邊壁處較大范圍的脫流區(qū),縮小回流區(qū)范圍, 但是立柱后的高速水流沒(méi)有充分實(shí)現(xiàn)能量交換,反而使得1號(hào)和5號(hào)機(jī)組流速較高, 斷面1-1各機(jī)組流速均勻度差異較大(見(jiàn)圖4)．對(duì)比圖3(e)(g)可知,方案6中流向立柱兩側(cè)的水流與方案4相比較少, 結(jié)合圖4分析, 方案6中1號(hào)和5號(hào)機(jī)組的流速也比方案4有所降低,流速更均勻, 阻水分流效果較明顯,同時(shí)直徑較小也有利于節(jié)省工程土建投資．但立柱直徑不宜過(guò)小, 否則阻水分流作用不明顯．

3.4 立柱數(shù)量對(duì)流態(tài)的影響

對(duì)比圖3(g)(i)(j)可知,立柱間距一定時(shí)立柱個(gè)數(shù)對(duì)進(jìn)水池流態(tài)的影響．方案8中立柱個(gè)數(shù)較多, 水流繞過(guò)一期泵站側(cè)立柱直接流入一期泵站, 使得5號(hào)機(jī)組前的流速比方案6和9的流速小(見(jiàn)圖4(a)), 流速更加均勻．方案6和方案9立柱個(gè)數(shù)較少, 繞過(guò)一期泵站側(cè)的立柱的水流均有部分流向二期泵站, 故其斷面1-1的行近流速均勻度與方案8相比較低(見(jiàn)圖4(b))．對(duì)比圖4中方案8和原方案的行近流速和流速均勻度可知,加設(shè)立柱后回流區(qū)范圍縮小,1號(hào)機(jī)組前的流速加大,4號(hào)和5號(hào)機(jī)組流速減小,行近流速斷面流速分布和均勻度提高,流態(tài)改善效果明顯．

3.5 圓形立柱整流機(jī)理分析

上述研究表明, 在側(cè)向進(jìn)水前池中設(shè)置距離進(jìn)水池為31.05D0, 直徑為1.03D0, 數(shù)量為7根, 間距為2.49D0的單排圓形立柱, 可有效縮小邊坡處的回流區(qū), 提高斷面1-1的流速均勻度,有效改善流態(tài)．圖5為單排圓形立柱的整流原理圖, 由圖5可知,水流繞過(guò)圓柱后,在下游發(fā)生分離,形成高速水流區(qū),高速水流與周圍水體充分碰撞、混摻,進(jìn)行動(dòng)量和能量的交換,使得機(jī)組前流速均勻度提高．又因?yàn)閱闻艌A柱具有阻水分流作用,使流速的大小和方向均發(fā)生變化,水流向圓形立柱兩端流動(dòng),增加了邊坡處水流的動(dòng)量,從而可以破壞邊壁處較大范圍的脫流區(qū),縮小回流區(qū)的范圍．本計(jì)算模型中包括2個(gè)側(cè)向進(jìn)水前池,前池水流相互影響,繞過(guò)一期泵站側(cè)立柱的水流與二期泵站中軸線的夾角擴(kuò)大,可使部分水流直接流入一期泵站,減小二期泵站側(cè)弧形邊壁的導(dǎo)流負(fù)擔(dān),從而有效降低5號(hào)機(jī)組前的流速,提高行近流速均勻度．回流區(qū)的大小和機(jī)組流速均勻度均受到圓形立柱位置、大小、間距和數(shù)量的不同程度影響,圓柱應(yīng)布置在適當(dāng)位置,同時(shí)圓柱間距越大、數(shù)量越少,其阻水分流效果越不明顯．