基于ANSYS-FLUENT模擬計(jì)算下泵站池流場(chǎng)特性分析研究

張世發(fā)

(南陵縣機(jī)電排灌管理站(養(yǎng)馬灘排澇站工程管理處)， 安徽 南陵 241300)

1 概述

由于地區(qū)水資源分布匱乏，需考慮從富水地區(qū)調(diào)度水資源[1-3]，因而需要修建泵站引水工程，服務(wù)于工農(nóng)業(yè)及生活需水。泵站作為重要水利工程，其長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行能極大促進(jìn)地區(qū)水資源供需，提高水資源開(kāi)發(fā)度與高效利用，泵站穩(wěn)定運(yùn)行與泵站各部分附屬結(jié)構(gòu)工程息息相關(guān)，其中泵站前池為聯(lián)通引水池與渠道的重要載體，前池內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定關(guān)乎輸水安全，故而針對(duì)泵站前池流場(chǎng)分析具有重要意義[4-5]。已有基于水動(dòng)力學(xué)理論研究了二維狀態(tài)下泵站前池運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確預(yù)判泵站運(yùn)行過(guò)程中前池流場(chǎng)特征[6-8]。另外還有學(xué)者采用水工模型試驗(yàn)，如高傳昌等[9]研究了前池內(nèi)中心區(qū)域與末端壁面處流態(tài)特性。當(dāng)然，亦可采用流場(chǎng)數(shù)值模擬手段[10-13]，研究不同狀態(tài)下的前池流場(chǎng)，為泵站安全運(yùn)行提供重要參考，保障泵站引水工程安全。

2 流場(chǎng)分析理論

由于本文研究對(duì)象為泵站前池流場(chǎng)特性，而在前池流場(chǎng)中并不是僅存在流體介質(zhì)，另還存有懸浮泥沙等固體物質(zhì)，因而研究流場(chǎng)特性不應(yīng)忽視多場(chǎng)耦合狀態(tài)，故本文引入Mixture多相耦合模型方程。

Mixture模型連續(xù)性方程可表述為：

(1)

運(yùn)動(dòng)平均速度為：

(2)

式中αk為第k相體積分子。

故得到動(dòng)量方程為：

(3)

流體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)速度可采用下式計(jì)算：

(4)

為保證Mixture模型在有限元插分計(jì)算時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)多相場(chǎng)之間某一相場(chǎng)抵消與增強(qiáng)，因而將運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度設(shè)定為代數(shù)關(guān)系，即為：

(5)

第二相場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間τqp為：

(6)

式中dp為第二相場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)尺寸。

擾力系數(shù)fdrag為：

(7)

即在不考慮相場(chǎng)間的運(yùn)動(dòng)干擾而致出現(xiàn)滑移速度，在流場(chǎng)外第二相場(chǎng)的體積微分方程為：

(8)

另外由于泵站前池特點(diǎn)，壁面邊界條件不同于流場(chǎng)與懸浮泥沙固體場(chǎng)，需引入近壁模型表述流場(chǎng)邊界面的壁面狀態(tài)，方便于求解邊界上的流場(chǎng)形態(tài)。近壁模型以修正湍流運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，如下式：

(9)

修正后湍流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)：

(10)

式中fμ指雷諾修正系數(shù)。

流場(chǎng)邊界面上的運(yùn)動(dòng)阻尼函數(shù)為：

fμ=1-exp[-(a1R+a2R2+a3R3+a4R4+a5R5)]

(11)

壁面與多相場(chǎng)接觸系數(shù)：

(12)

通過(guò)上述分析，選擇合適的有限元單位體構(gòu)建模型，利用ANSYS-FLUENT有限元求解與流場(chǎng)后處理軟件，獲得泵站前池場(chǎng)中流態(tài)特征。

3 工程概況

西北某地區(qū)修建有一引水工程，承擔(dān)著區(qū)域蓄水調(diào)水水資源調(diào)度重要作用，該水工建筑包括有前池、出水池以及其他控制設(shè)備建筑。泵站設(shè)計(jì)提水流量為11 m3/s，每年提水流量指標(biāo)為1.5×108m3，承擔(dān)農(nóng)田灌溉面積為2萬(wàn)hm2，共建泵站10臺(tái)，裝機(jī)電量超過(guò)7×104kW，極大緩解了地區(qū)內(nèi)缺水，為當(dāng)?shù)匦藿ňG色防護(hù)林提供重要水資源來(lái)源。設(shè)計(jì)輸水管直徑為1.4 m，泵站裝機(jī)高程達(dá)1 610 m，前池底部高程為1 613 m，池內(nèi)流量為15 m3/s，采用側(cè)向進(jìn)水結(jié)構(gòu)形式，池內(nèi)設(shè)置有隔墩，另在中部區(qū)域設(shè)置有底坎，減弱水流對(duì)前池沖擊磨損。輸水渠道貫通至區(qū)域內(nèi)中度缺水狀態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，緩和當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)需水與生活需水缺口。由于泵站設(shè)計(jì)使用年限較久，不僅出水池有較多泥沙懸浮，在泵站前池中泥沙含量較高，淤泥沉積量已達(dá)池容積50%，長(zhǎng)此以往對(duì)水道上的輸水管以及涵渠等水利設(shè)施均是較大的磨損，甚至?xí)?dǎo)致管路堵塞，影響泵站輸水效率。泵站前池在側(cè)向設(shè)計(jì)有進(jìn)水口，水流方向平行于水泵，由于輸水管設(shè)計(jì)原因，泵站正向、側(cè)向視圖前池現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 泵站前池現(xiàn)狀示意

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)踏勘及水質(zhì)檢測(cè)表明，池內(nèi)懸浮泥沙粒徑分布在0.02～1 mm，其中小于0.075 mm的粒徑占比達(dá)到90%以上，即懸浮泥沙基本上都屬細(xì)粒沙?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)泵站前池內(nèi)水流狀態(tài)，水流方向與輸水管產(chǎn)生交接，水流狀態(tài)較為錯(cuò)亂，流場(chǎng)局部區(qū)域可見(jiàn)顯著回漩渦，加重水流的往返運(yùn)動(dòng)，造成輸水能耗多次消耗，增加輸水成本。另外，泵站場(chǎng)址內(nèi)以耕種栗鈣土和砂壤土為主，厚度最大約為7 m，分布普遍是較薄的砂壤土，由于水土流失嚴(yán)重，部分地表可見(jiàn)磨蝕的巖層，巖性主要為花崗巖，呈半風(fēng)化特征。利用超聲波流速測(cè)試儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地，水面層流速約為0.02～0.55 m/s，流速處于較動(dòng)蕩分布狀態(tài)，池內(nèi)進(jìn)水口左右兩側(cè)流速呈現(xiàn)一高一低，在中間地帶會(huì)有局部漩渦，考慮現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器觀測(cè)僅僅停留在表面層，對(duì)池內(nèi)各深度流態(tài)特征觀測(cè)缺乏，因而本文將綜合工程資料，以數(shù)值手段分析泵站流態(tài)特征。

4 泵站前池流態(tài)特性

4.1 原設(shè)計(jì)前池與淤積后前池

前池結(jié)構(gòu)示意如圖2a所示，其基本形態(tài)及結(jié)構(gòu)尺寸均在結(jié)構(gòu)平面圖中標(biāo)出，方便在ANSYS中建立數(shù)值模型(如圖2b所示)，由于前期實(shí)地觀測(cè)得知該泵站前池淤泥沉積已超過(guò)容積1/2，故建立淤積狀態(tài)下前池模型，并在ANSYS中劃分出網(wǎng)格單元(如圖3所示)。

圖3 淤積前池模型示意

a 前池剖面

原設(shè)計(jì)前池利用SOLID65為基本構(gòu)成微單元體，共劃分2 001 064個(gè)網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)845 848個(gè)；淤積狀態(tài)下前池利用SOLID45與SOLID65模型構(gòu)成單元體，共劃分1 962 654個(gè)網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)783 671個(gè)。模擬工況以1#、2#、3#、4#、5#、6#泵站開(kāi)啟，7#、8#、9#、10#泵站關(guān)閉狀態(tài)，且含沙量為2.1 kg/m3、泵站流量為10.6 m3/s、攔污柵流速值為0.45 m/s時(shí)，開(kāi)展模擬計(jì)算。在ANSYS-FLUENT求解中，以ANSYS計(jì)算兩相場(chǎng)基本特征參數(shù)，包括水力半徑、耗散能等，再利用FLUENT開(kāi)展后求解分析，獲得側(cè)向前池內(nèi)水沙兩相場(chǎng)流場(chǎng)特征。

圖4為前池原設(shè)計(jì)模型不同深度處池內(nèi)流場(chǎng)分布示意，包括分布云圖與矢量圖。從圖4中可看出，原設(shè)計(jì)前池水流表面的流場(chǎng)內(nèi)存在回流現(xiàn)象，約占流場(chǎng)分布面積的50%，最大流速超過(guò)1.05 m/s，且表層流速分布范圍較廣，從0～1.05 m/s均有涉及，并未出現(xiàn)有主流速，即每個(gè)范圍流速均有一定流動(dòng)性，故而流態(tài)分布較為紊亂；最大流速主要位于池壁邊緣處，漩渦回流主要位于池內(nèi)中間及部分與水流方向呈較大夾角之處，分析表明表面層由于水泵提水作用，攪亂了水流主向進(jìn)入前池內(nèi)的平行方向，進(jìn)而水流方向呈現(xiàn)一定傾斜，漩渦回流顯現(xiàn)，流場(chǎng)分布矢量圖中亦可看出。隨著計(jì)算水深增大至1 m、3 m，漩渦流速分布范圍有所降低，且均出現(xiàn)主流速，深度1 m處主流速范圍為0～0.22 m/s，大流速分布面積縮減，入口處流速相比水面表層降低，在各深度壁面處由于泵站運(yùn)行影響，隨深度增大，流速值增大，且愈深出現(xiàn)漩渦回流范圍愈少，深度3 m處漩渦回流分布范圍最少，表明前池原設(shè)計(jì)考慮到了泵站運(yùn)行與吸水管對(duì)池內(nèi)流速方向擾動(dòng)的雙影響，通過(guò)控制吸水管流量與泵站運(yùn)行頻率，減少了對(duì)池內(nèi)更深水流的影響，僅在水面表層出現(xiàn)回旋渦等現(xiàn)象。

(a)水流表面

圖5為淤積狀態(tài)下泵站前池流場(chǎng)分布云圖示意。從圖5中可看出，相比原設(shè)計(jì)模型水流表面層，淤積狀態(tài)下由于泥沙懸浮影響，在邊壁面處聚集較多漩渦回流，各個(gè)范圍流速階梯性顯著，形成過(guò)多小漩渦，且漩渦總分布面積超過(guò)池內(nèi)面積2/3，即淤積狀態(tài)下回流漩渦范圍更廣了。另外由于過(guò)多漩渦占據(jù)了水流表面層，導(dǎo)致主流流速只能傾向于左側(cè)邊壁流動(dòng)，且愈向池內(nèi)中間區(qū)域，主流愈發(fā)無(wú)法占據(jù)控制流場(chǎng)的位置，極大影響了前池內(nèi)輸水效率。對(duì)比不同深度段前池內(nèi)流態(tài)特征可發(fā)現(xiàn)，隨深度增大，由于泥沙淤積在池底，在更深水流層中回流紊亂區(qū)域更多，且中部漩渦逐漸在深度3 m處時(shí)逐漸擴(kuò)散至前池進(jìn)水口處，造成進(jìn)水口處流速愈大，但整體流速值相比淺水深處更小了，3 m處進(jìn)水口最大流速為0.44 m/s，相比水流表面層降低了50%，較低水流在淤沙沖擊作用下會(huì)局部產(chǎn)生泥沙懸浮或沉積，進(jìn)水口淤積較多泥沙即使如此，造成進(jìn)水段面積降低，流速分布出現(xiàn)較為紊亂狀態(tài)，主流與回漩渦接觸面處流速分布較低，且進(jìn)水口的紊亂水流逐步傾向于往水泵吸水管附近靠攏，并聚集著較大流速。對(duì)比原設(shè)計(jì)模型前池流態(tài)，由于淤積前池內(nèi)泥沙存在，進(jìn)一步擠壓主向水流運(yùn)動(dòng)空間，造成主流速度降低，矢量方向上更靠近左側(cè)邊壁，回流漩渦矢量靠近水泵吸水管，分布范圍增多，經(jīng)計(jì)算得知吸水管附近水流方向與之平均夾角近90°，輸水效率嚴(yán)重降低，泵站安全運(yùn)營(yíng)受到極大挑戰(zhàn)。

(a)水流表層

4.2 改善后流態(tài)特征

前述分析已知淤積后前池內(nèi)流場(chǎng)處于較紊亂狀態(tài)，泵站運(yùn)行極大受限，故而考慮對(duì)該前池采取一定改善措施，在前池內(nèi)布置壓水板與底坎相鉸接，夾角為45°，其中壓水板設(shè)置在距離前池入口23 m、20 m，深度取0.8 m、1.2 m、1.5 m，共6個(gè)對(duì)比方案，分別對(duì)該6種改善措施方案開(kāi)展流態(tài)計(jì)算分析。限于篇幅，本文列出6種方案在水深2 m吸水管附近的流場(chǎng)分布特征(如圖6所示)。

從圖6可看出，架設(shè)45°壓水板后，不論壓水板距離入水口多遠(yuǎn)，池內(nèi)吸水管附近回流渦旋數(shù)量顯著減少，流線平衡均勻，流速亦呈增大態(tài)勢(shì)，可帶動(dòng)泥沙沖擊至出水口，提高了前池內(nèi)流體沖淤能力。對(duì)比同等水深不同壓水板與入水口距離流場(chǎng)特征可看出，當(dāng)距離較近時(shí)，壓水板存在導(dǎo)致底坎前端流速值較大，導(dǎo)致主流過(guò)于控制流體運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而在底坎末端出現(xiàn)局部的小漩渦，流體翻滾轉(zhuǎn)動(dòng)影響吸水管進(jìn)水效率，故而考慮壓水板距離入水口23 m為最佳。對(duì)比不同深度布置壓水板可知，當(dāng)壓水板距離23 m、深度為0.8 m時(shí)，未運(yùn)行的吸水管水泵附近可見(jiàn)回流現(xiàn)象，泥沙懸浮顯著，易堵塞輸水管；當(dāng)深度為1.5 m時(shí)，由于壓水板布置深度較深，入水口流速過(guò)大，直接擾亂了其他底坎前端小流速流體運(yùn)動(dòng)，形成一定數(shù)量的漩渦。綜上對(duì)比分析，表明設(shè)計(jì)深度為1.2 m時(shí)吸水管附近流場(chǎng)穩(wěn)定，既能裹挾泥沙，又不至于引起局部漩渦，故以壓水板距離入水口23 m、深度1.2 m為最優(yōu)改善方案。

(a)距離23 m、深度0.8 m (b)距離23 m、深度1.2 m

5 結(jié)語(yǔ)

1) 研究了原設(shè)計(jì)前池不同深度流場(chǎng)分布，水流表層分布約有1/2的回流漩渦，漩渦流速隨深度遞減，回流減弱，深度1 m處主流速范圍為0～0.22 m/s，池壁面處流速隨深度增大而增長(zhǎng)。

2) 獲得淤積前池邊壁面存在較多漩渦回流，分布范圍超過(guò)池內(nèi)面積2/3，隨深度增大，回流紊亂區(qū)域更多，進(jìn)水口流速隨深度增大逐漸降低，3 m處最大流速為0.44 m/s，相比水流表面層降低了50%，流速過(guò)小加劇了泥沙淤積；主流相比原設(shè)計(jì)前池更靠近左側(cè)邊壁，吸水管與水流方向夾角近90°，輸水效率較低。

3) 分析了壓水板與底坎6種組合的改善方案對(duì)流場(chǎng)分布影響，距離入水口過(guò)近，易導(dǎo)致底坎前端流速過(guò)大，在末端出現(xiàn)聚集漩渦；深度1.2 m時(shí)流場(chǎng)穩(wěn)定，流速適佳，既能裹挾泥沙，又不至于引起局部漩渦，故設(shè)置壓水板距離入水口23 m、深度1.2 m為改善方案。