徐州市柳新一站三維湍流數(shù)值模擬研究

鄒福建 張 楚 李洋洋 董 雷 楊 寧

（1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 徐州 221000 2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司徐州分公司 徐州 221000）

1 引言

徐輝[1]、王雪豐[2]、郭磊[2]在對泵站前池流態(tài)的改善措施研究中都提到，側(cè)向進(jìn)水時(shí)前池中容易形成回流、漩渦等不良流態(tài)，難以創(chuàng)造出良好的水泵進(jìn)水條件。經(jīng)過多年的研究，被驗(yàn)證能夠有效改善側(cè)向進(jìn)水流態(tài)的整流措施概括起來主要有以下幾類：（1）導(dǎo)流柵、導(dǎo)流墩、導(dǎo)流墻整流方式；（2）立柱、底坎、壓水板整流方式；（3）配水孔整流方式等。其中立柱、底坎、壓水板整流方式以“擋”為主，通過調(diào)整斷面的水流結(jié)構(gòu)，使水流之間互相摻混，從而在下游不遠(yuǎn)處獲得比較均勻的流動(dòng)。這類整流方法具有很好的適用性，對于彎道流動(dòng)、擴(kuò)散流動(dòng)和其他來流條件較差的流動(dòng)，都能夠很好地弱化來流中的橫向流速，使下游形成縱向和橫向都比較均勻的流動(dòng)。

底坎整流是比較常見的整流方法，研究成果和應(yīng)用實(shí)例很多，如馮旭松[3]的《泵站前池底坎整流及坎后流動(dòng)分析》，徐輝、田家山[4]的《泵站前池回流現(xiàn)象與消除方法的試驗(yàn)研究》，成立、劉超、周濟(jì)人、湯方平[5]的《泵站前池底壩整流數(shù)值模擬研究》，湯正軍[6]的《江都抽水站引河流態(tài)改善的模型試驗(yàn)》，成立[7]的《泵站進(jìn)水彎道三維流動(dòng)分析及流態(tài)改善研究》，史海冰[8]的《長江引水三期取水泵站前池流態(tài)問題的解決方案》等。通過理論分析、模型試驗(yàn)和模擬計(jì)算研究，徐輝等從渦流理論出發(fā)對立柱輔助底坎整流的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并給出底坎的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)；馮旭松在縱向二維流動(dòng)情況下對底坎整流進(jìn)行理論分析，并對底坎的幾何設(shè)計(jì)和設(shè)置位置提出建議。

實(shí)際工程中還常見立柱與底坎組合的整流方法。底坎整流廣為工程采用，具有很好的整流效果，雖然也存在容易導(dǎo)致底坎附近泥沙淤積，增加前池的清淤工作量，淤積后可能改變了前池的流場分布，影響到整流效果等問題，但底坎整流技術(shù)具有施工簡單、經(jīng)濟(jì)易行、效果顯著、適用性好的特點(diǎn)。本文以柳新一站泵站改造為例，研究泵站側(cè)向進(jìn)水的底坎整流。

2 工程概況

徐州市鄭集河泵站改造工程柳新一號站安裝4臺（套）900ZLB-85 型軸流泵，轉(zhuǎn)速485r/min，配JSL138-12 155kW 電機(jī)，設(shè)計(jì)流量9.0m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.30m，總裝機(jī)功率620kW。

表1 柳新一站設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖1 桃園河及泵站段網(wǎng)格剖分圖

圖2 水面流速等值線圖

圖3 水面以下2.5m 流速等值線圖

泵站進(jìn)水為側(cè)向進(jìn)水。前池兩側(cè)為八字形鋼筋混凝土擋土墻，引導(dǎo)水流平順進(jìn)入進(jìn)水池。站上出水為正向出水池接穿堤涵洞。

泵站采用塊基型結(jié)構(gòu)，站身現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均為C25。根據(jù)水泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有關(guān)參數(shù)，站身采用濕室型結(jié)構(gòu)，4 臺套機(jī)組呈一列式布置。開敞式進(jìn)水池進(jìn)水，ω 形后壁，彎管出水。柳新一站設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

3 側(cè)向進(jìn)水未設(shè)計(jì)整流措施流態(tài)研究

3.1 泵站樞紐物理模型建構(gòu)與網(wǎng)格剖分

根據(jù)工程建設(shè)站址優(yōu)選的要求，結(jié)合徐州市柳新一站站址地形和泵站總體布置，確定泵站樞紐三維湍流數(shù)值模擬物理模型建構(gòu)范圍包括桃園河段和泵站段。為合理給定出口邊界條件，將計(jì)算區(qū)域的進(jìn)出口斷面向外適當(dāng)延伸。桃園河及泵站段網(wǎng)格剖分圖見圖1。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

本研究利用流體動(dòng)力學(xué)通用計(jì)算軟件Fluent，基于雷諾平均N-S 方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程湍流模型對柳新一站進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算按設(shè)計(jì)水位、流量進(jìn)行，即站下設(shè)計(jì)水位為31.0m，河底及進(jìn)水池底高程為28.0m，水深3.0m，泵站流量為9.0m3/s。

為方便分析和直觀反映流場情況，在計(jì)算區(qū)域中選取一些特征斷面。其中水平特征斷面包括：水面、水面以下1.5m 平面、水面以下2.5m 平面。

從圖2、圖3 中可見，由于側(cè)向進(jìn)水，水流極不穩(wěn)定，前池中流速分布不均勻，不同高程上的也不盡相同。四個(gè)進(jìn)水池中的流速都不均勻、不對稱，流態(tài)差，流量分配不均勻，不能為水泵創(chuàng)造良好的進(jìn)水條件。

垂直特征斷面流速分布云圖上同樣可見前池前端的高速水流區(qū)和低速回漩區(qū)。從進(jìn)水池的中心縱剖面流速分布圖上可見四個(gè)進(jìn)水池內(nèi)的水流狀態(tài)不相同，流量分配不均勻。同時(shí)還可見水流在各剖面的垂直方向上也不穩(wěn)定，流速波動(dòng)很大。

4 整流方案設(shè)計(jì)研究

4.1 整流方案設(shè)計(jì)

根據(jù)馮旭松的《泵站前池底坎整流及坎后流動(dòng)分析》一文建議和其他相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，本研究提出2 個(gè)初步方案進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，并通過對計(jì)算結(jié)果的分析，將選擇出最優(yōu)方案。底坎結(jié)構(gòu)、尺寸與位置見圖4。

4.2 成果分析

為方便分析和直觀反映流場情況，在計(jì)算區(qū)域中選取一些特征斷面。其中水平特征斷面包括：水面、水面以下1.5m 平面、水面以下2.5m 平面。各水平特征斷面流速分布見圖5、圖6。

從水平面流速分布圖可見：利用底坎人為地造成坎后立面漩滾，破壞平面回流，通過坎后水流充分紊動(dòng)擴(kuò)散，從而在底坎下游不遠(yuǎn)處獲得比較均勻的流動(dòng)；前池中無大面積回漩，進(jìn)水池中的流態(tài)得到一定程度的改善。從垂直特征斷面流速分布云圖上可見：底坎下游出現(xiàn)立面漩滾，水流有明顯的分離區(qū)、再附區(qū)和發(fā)展區(qū)；但進(jìn)水池中的水流條件卻得到一定改善，四個(gè)進(jìn)水池中的流速分布相似性提高，每個(gè)進(jìn)水池中水流對稱性也有改善，說明底坎起到一定整流作用。

圖4 底坎結(jié)構(gòu)、尺寸圖

圖5 z 方向垂直斷面流速分布云圖（1#方案）

圖6 z 方向垂直斷面流速分布云圖（2#方案）

根據(jù)以上分析，1#方案整流效果最佳，因此初步?jīng)Q定選用1#底坎方案進(jìn)行下一步驗(yàn)算。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用三維湍流數(shù)值模擬技術(shù)，對江蘇省徐州市柳新一站側(cè)向進(jìn)水前池的水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，對比分析了2 個(gè)底坎整流方案，優(yōu)選出最優(yōu)方案。結(jié)果表明，底坎具有明顯的整流效果，可改善前池中的流態(tài)。

（2）經(jīng)對比分析，1#方案在設(shè)計(jì)水位和設(shè)計(jì)流量條件下，整流效果最佳。其主要參數(shù)為：坎高H=0.275H水深=0.65m。

（3）在站下最低水位時(shí)，站下水深為2.3m，此時(shí)坎高H=0.391H最小水深，在《泵站前池底坎整流及坎后流動(dòng)分析》一文建議的整流底坎坎高范圍內(nèi)，泵站仍可正常運(yùn)行。

（4）建議選用1#底坎整流方案，結(jié)合原有平面設(shè)計(jì)，可改善柳新一站進(jìn)水流態(tài)，為水泵創(chuàng)造較好的進(jìn)水條件■