基于Realizablek-ε湍流模型的泵站進水池水流流態(tài)研究

陶東 周冬蒙 劉子金

摘 要：泵站進水池進水喇叭口附近因抽吸力的作用而產(chǎn)生大量旋渦，進而嚴重影響水泵吸水效率。為探究進水池內(nèi)部水流流態(tài)特性，基于Realizable k-ε湍流模型對泵站進水池水流流態(tài)進行數(shù)值模擬，并與HXH03-1S型超聲波多普勒流速流向儀在泵站進水池的原型監(jiān)測結(jié)果進行對比，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，對泵站進水池水流流動特性進行分析。結(jié)果表明：Realizable k-ε湍流模型對泵站進水池水流流態(tài)的模擬與HXH03-1S型超聲波多普勒流速流向儀在泵站進水池的原型監(jiān)測結(jié)果吻合度較高，表明該數(shù)學模型模擬泵站進水池水流流態(tài)具有較高可靠性;喇叭口兩側(cè)出現(xiàn)相反方向的渦流，與吸入喇叭口內(nèi)的水流形成新的渦帶，致使管道內(nèi)的流態(tài)受到了前池流態(tài)的影響。

關(guān)鍵詞：泵站進水池;Realizable k-ε湍流模型;旋渦;數(shù)值模擬

中圖分類號：TV675;TV698.1+6 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.006

Abstract：In the vicinity of the inlet bell of the pumping station， a large number of vortices are generated due to the suction force， which seriously affects the water absorption efficiency of the pump. In order to explore the flow characteristics of the water in the inlet pool， the flow regime of the pumping station was numerically simulated based on the Realizable k-ε turbulence model and compared with the prototype monitoring results of the HXH03-1S ultrasonic Doppler flow rate meter in the pumping station inlet tank to verify the reliability of the numerical simulation results. On this basis， the flow characteristics of the pumping station inlet water were analyzed. The results show that the coincidence degree of the flow pattern of the pumping station inlet and the prototype monitoring results of the HXH03-1S ultrasonic Doppler flow rate meter used in the pumping station is high， showing that has higher reliability. The vortex in the opposite direction on both sides of the bell mouth and the water flow in the suction bell mouth form a new vortex belt， so that the flow regime in the pipeline is affected by the flow state of the front pool. The research results have important guiding significance for guiding the optimization design of the front pool of large pumping stations and the flow analysis during the structural transformation process.

Key words： pump sumps; Realizable k-ε Turbulence Model; vortex; numerical simulation

泵站是灌區(qū)最主要的建筑物，而進水前池是泵站的重要組成部分，其主要作用是引導水流平穩(wěn)地進入泵站進水池，保證水泵良好的進水條件。泵站運行中，前池流態(tài)是否平穩(wěn)直接影響水泵吸水管的進水流態(tài)，進水池中的水流流態(tài)對泵站提水效率及水泵的氣蝕性能具有重要影響[1]。目前該領(lǐng)域?qū)W者針對泵站進水池內(nèi)部渦流特性開展了大量研究，取得了豐富的研究成果。LI等[2]采用二維PIV系統(tǒng)，從PIV數(shù)據(jù)中得到流速、流線、湍流強度和渦度，通過對這些參數(shù)的分析，找出了具有特殊結(jié)構(gòu)的集水池的流動特性，并在實驗的基礎(chǔ)上確定了最佳的流動條件;SUERICH-GULICK等[3]通過對進近流和渦旋內(nèi)部流的速度測量，提出了一種半經(jīng)驗模型，粗略地預測了進近氣流和進氣口幾何形狀如何決定核心渦特性;TEMMERMAN等[4]利用大渦模擬湍流，考慮流體黏度的影響，討論了速度分布的數(shù)值計算結(jié)果，并與ANSAR和NAKATO的實驗數(shù)據(jù)進行了比較，取得了較為理想的模擬結(jié)果;JAKIRLI等[5]采用大渦模擬技術(shù)對某小型水電設(shè)施進水口三維非定常流場進行了數(shù)值模擬，基于針對自由表面流動改進的高度簡化的MAC迭代法，采用近壁面阻尼修正的標準Smagorinsky模型對亞網(wǎng)格尺度應(yīng)力進行了計算，利用數(shù)值網(wǎng)格對實驗室尺度雷諾數(shù)的近壁面流場進行了數(shù)值求解，較好地再現(xiàn)了渦旋流場的復雜性和非定常性;YU等[6]首次通過對黏性子層的充分求解，對SST k-ω湍流模型進行改進，并與標準的SST k-ω湍流模型進行比較，改進后的模型對氣體污染物在孤立建筑物周圍的擴散模擬有很好的適用性;為保障泵站穩(wěn)定、高效運行，學者們運用多種湍流模型對前池的水流流動特性進行仿真模擬，并提出了多種整流措施[7]。以上研究為泵站進水池水流流態(tài)優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)。但受早期測流手段的限制，前人們的研究方法主要集中在物理模型試驗和數(shù)值模擬，對前池原型的測流手段較少，有針對性的泵站進水池流態(tài)理論研究尚不充分。

近年來，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，測量結(jié)果的精度已有了較大幅度的提升，泵站前池流速監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在工程建設(shè)相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具有安全、高效、精度較高等優(yōu)勢。鑒于此，本次研究基于Realizable k-ε湍流模型對泵站進水池水流流態(tài)進行數(shù)值計算，并與HXH03-1S型超聲波多普勒流速流向儀在泵站進水池的原型監(jiān)測結(jié)果進行對比，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。在此基礎(chǔ)上，對泵站進水池水流流動特性進行分析。

1 數(shù)學方法和計算模型

1.1 控制方程

1.2 邊界條件設(shè)置

①前池斷面尺寸以及泵站設(shè)計流量均已知，前池進口斷面處平均流速可求，故選用速度進口邊界條件;②出口壓力和流速均未知，假定出口邊界對上游水流運動無影響，水流視為完全發(fā)展流動，設(shè)置出口邊界條件為outflow邊界條件;③在近壁面區(qū)域，由于流體運動變化比較大，因此選用壁面函數(shù)法[8]處理固壁邊界;④泵站進水前池自由表面受外部環(huán)境擾動較小，浮動變化可以忽略，同時考慮到網(wǎng)格劃分以及對計算時間的要求，選用剛蓋假定法[9]對自由表面進行模擬計算，將自由表面條件設(shè)置為symmetry。

1.3 網(wǎng)格劃分和流場離散化

流動問題數(shù)值模擬計算的效率與精度主要取決于網(wǎng)格生成的質(zhì)量及所采用的算法[10]。由于所選泵站側(cè)向進水前池結(jié)構(gòu)形態(tài)復雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進行劃分，局部位置適當加密。應(yīng)用Fluent軟件進行渾水兩相均質(zhì)流模擬，基于有限體積法對計算區(qū)域進行離散化，采用二階迎風格式的隱式求解方法以確保計算精度，并選用基于分離求解器的SIMPLEC算法進行流場耦合。

1.4 模型構(gòu)建

本研究采用的泵站進水池物理模型是按照泵站前池實際尺寸1∶1構(gòu)建，如圖1所示。圖中吸水管內(nèi)徑為1.6 m，泵管內(nèi)流量為2.41 m3/s，喇叭口水深為6 m。管內(nèi)雷諾數(shù)為75 000左右，進水池內(nèi)雷諾數(shù)為10 000左右，F(xiàn)r和Wb（韋伯系數(shù)）為模擬所需確定的相似準則數(shù)，其值分別為1.1和840。本研究取前池及進水池作為研究對象，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，在擴散角變化處及水泵進水口附近位置進行網(wǎng)格局部加密，計算區(qū)域及局部細節(jié)如圖2所示。研究工況是設(shè)計工況，其進口取在渠道漸變段與前池連接處，設(shè)置為體積進口，流量為8.5 m3/s。出口設(shè)置在進水池水泵進水喇叭口處，將自由表面簡化為對稱面并且不考慮其他表面波動。

2 模擬結(jié)果驗證

為進一步確認數(shù)值計算的準確性，本次研究對泵站前池水流流速采用HXH03-1S型超聲波多普勒流速流向儀進行測量，此型號流速儀采用最先進的電子技術(shù)，具有高度靈敏性，尤其對于高含沙水流抗干擾能力強，對弱流和強流都有很好的適用性，在選定的泵站圖紙上建立坐標系，先對泵站前池進行劃分，選取158個測點，測點布置如圖3所示，連接水下探頭沿不同深度對流速進行測量，得到每個測點不同深度的流速數(shù)據(jù)，再利用Surfer等值線繪制軟件繪制不同斷面處的流速等值線圖。

依據(jù)現(xiàn)場測流數(shù)據(jù)可知，各點流速范圍均在0.00～1.05 m/s之間，運用Surfer軟件分別繪制3個典型區(qū)域水深1 m、2 m處流速等值線圖，如圖4所示。圖3 進水前池現(xiàn)場測流點布置

區(qū)域Ⅰ受運行機組影響，在各個深度左側(cè)流速總體大于右側(cè)流速，隨著水深加大，右側(cè)低流速區(qū)域逐漸增大直到出現(xiàn)靜水區(qū);區(qū)域Ⅱ側(cè)壁處整體流速較小，且出現(xiàn)較多旋渦回流，整體流速變化較小，旋渦在水深1 m處集中;區(qū)域Ⅲ水流入口處流速較大，且受側(cè)壁處旋渦的影響，主流有向左偏移的趨勢，隨著流速的增大低速區(qū)范圍逐漸變大。由此可見，機組打開的區(qū)域水流流速大于機組未打開的區(qū)域，且受側(cè)壁處旋渦影響主流向左偏移，與現(xiàn)場測流結(jié)果趨勢一致。

3 結(jié)果與討論

3.1 喇叭管下方速度分布分析

為驗證Realizable k-ε湍流模型在喇叭管周圍流態(tài)模擬的準確性，對喇叭口下方進行3種不同工況下的流速測量，圖5按照進水流道內(nèi)各個方向速度平均值對其3個方向的速度值作無量綱處理，Vx、Vy、Vz分別代表x、y、z方向上的速度，Ly為測點距喇叭口的距離。

圖5（a）為3種工況（工況一、二、三的流量依次增大）條件下基于Realizable k-ε湍流模型與實測數(shù)據(jù)在x方向的速度分布對比，可以看出，Vx模擬值與實測值變化趨勢一致，隨著流量增大，在近壁處的速度梯度也隨之增大，而在非近壁區(qū)域隨工況變化沿x方向速度分布出現(xiàn)一定的波動性，但整體來說3種不同工況下沿x方向的速度分布呈現(xiàn)出相似的趨勢;圖5（b）為y方向的速度分布對比，沿著y方向速度呈現(xiàn)的趨勢為由正到負先增大后減小，其位置分別對應(yīng)喇叭口測線的兩側(cè)，速度最大值出現(xiàn)在Ly的三分之一處，最小值出現(xiàn)在四分之三處;圖5（c）為z方向的速度分布，在此方向3種不同工況下速度分布都呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，在壁面兩側(cè)因壁面效應(yīng)出現(xiàn)了速度降低的現(xiàn)象?？偟膩碚f，基于Realizable k-ε湍流模型數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)在3種不同工況條件下3個方向上均呈現(xiàn)相似的趨勢，吻合度較高。

3.2 水流流動特性分析

圖6、圖7分別為平行水流方向和垂直水流方向的平面流速分布。水流在整個前池中均有渦流產(chǎn)生，主要分成3段：靠近進口端，渦流分布在進水口兩邊側(cè)壁，渦流旋轉(zhuǎn)方向主要是切向水流方向翻轉(zhuǎn)帶動向前，渦帶較長;靠近前池中部的位置，渦帶位于取水前池的中下部，渦帶逐步縮短，表面流速較為均勻;前池尾部的渦帶主要分布在表面，受到側(cè)墻反射回來的水流的干擾，渦帶水流方向呈現(xiàn)出周期性。在各個泵取水喇叭口對應(yīng)的位置上呈現(xiàn)出一定速度的渦，渦的位置偏離取水喇叭口的正前方，沿著水流方向，在兩臺泵取水喇叭口中間位置也出現(xiàn)了渦流，渦流的主要方向是順著水流方向向前，且渦帶較長，沿著水流方向，渦帶的長度在縮短變寬，沿著四周旋轉(zhuǎn)。沿著水流方向在喇叭口左端渦流方向向上，右端渦流向下，呈現(xiàn)出喇叭口兩側(cè)的水流存在搓動現(xiàn)象，與進入喇叭口的水流進行了較明顯的切向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的流動，生成新的渦帶，該類渦帶在喇叭口右前方擴大并拓展到水流的表面，喇叭口周圍產(chǎn)生的渦帶沿著側(cè)向前池的寬度方向減小。水體的流動在喇叭口前端產(chǎn)生了不均勻的渦帶，渦帶的旋轉(zhuǎn)方向不確定，在靠近前池末端的機組管道的前池中相互摻混頂托向上翻滾，在前池前端入口處的機組的水中渦順著入流方向傾斜旋轉(zhuǎn)，對前池未放置進水管的側(cè)墻產(chǎn)生二次沖擊，形成新的不規(guī)則的渦流，進而影響取水口取水，在取水口底部交匯出現(xiàn)渦流分布，旋渦產(chǎn)生區(qū)域隨著工況變化而變化，也顯示出一定的動態(tài)性和不間斷性，影響到水泵前端取水引流管道，致使管道內(nèi)的流態(tài)受到了前池流態(tài)的影響。

4 結(jié) 論

（1）與HXH03-1S型超聲波多普勒流速流向儀實測數(shù)據(jù)對比，基于Realizable k-ε湍流模型對泵站進水池水流流態(tài)的模擬在數(shù)值上存在一定差異，但整體變化趨勢一致，表明該數(shù)學模型模擬精度較高，模擬結(jié)果可以很好地反映出進水前池的水流流態(tài)。

（2）喇叭口兩側(cè)出現(xiàn)方向相反的渦流與吸入喇叭口的水流形成了新的渦帶，對前池未放置進水管的側(cè)墻產(chǎn)生二次沖擊，在取水口底部形成新的不規(guī)則的渦流進而對喇叭口管道內(nèi)部流態(tài)產(chǎn)生影響，表明當進水池結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計不當時，側(cè)壁撞擊形成的旋渦危害是不可忽視的。

（3）對泵站進水池的數(shù)值模擬會略微高估進水池邊壁處的流速，主要原因是進水池兩側(cè)水流流速較中間部位小，導致大量泥沙淤積，而模擬過程中未考慮泥沙濃度對水流黏滯性的影響。對于高含沙水流的模擬是復雜的、多維的，高含沙水流顆粒間的相互作用以及水沙兩相的相互作用對進水池流態(tài)模擬有一定影響，后續(xù)研究將主要集中在這一領(lǐng)域。

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【責任編輯 張 帥】