分汊河道多泵站進(jìn)水側(cè)整流數(shù)值模擬分析

張娟 陳洪程 卜舸 張仁田 金燕

摘要：為了分析分汊河道上多泵站聯(lián)合運(yùn)行條件下各泵站進(jìn)水側(cè)流態(tài)，并進(jìn)行整流方案設(shè)計(jì)，采用軟件ANSYS，基于N-S方程，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]湍流模型，對(duì)分汊河道上相鄰3座泵站進(jìn)水側(cè)的整流效果進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。結(jié)果表明：無(wú)整流措施時(shí)，一站進(jìn)水側(cè)出現(xiàn)了大范圍的回流和漩渦;二站的引河擴(kuò)散角位置出現(xiàn)脫流現(xiàn)象;三站進(jìn)水側(cè)出現(xiàn)偏流，特征斷面流速不均勻。通過(guò)加設(shè)兩道底坎，一站進(jìn)水側(cè)水流原有紊亂流動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了抑制，水流行進(jìn)斷面上流速分布均勻;通過(guò)切灘處理，原本側(cè)向進(jìn)水的二站和三站的進(jìn)水側(cè)流態(tài)得到優(yōu)化，其中，三站前池內(nèi)垂直水流方向斷面流速均勻度平均提高15%，速度加權(quán)平均角度值抬高了8°，由此可證明整流方案合理。

關(guān)鍵詞：水流流態(tài);流態(tài)調(diào)整;數(shù)值模擬;分汊河道

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV675文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.012

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）08 - 0060 - 07

在泵站樞紐布置時(shí)，受來(lái)流條件、地形條件等客觀因素限制，很多新建泵站不得不采用與老泵站并列布置在分汊河道上的形式，并且多為側(cè)向進(jìn)水形式。分汊河道的水流結(jié)構(gòu)本身就具有明顯的二次流結(jié)構(gòu)，流態(tài)復(fù)雜。當(dāng)多個(gè)泵站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，對(duì)河道分汊處的流場(chǎng)、能量損失、壓力分布等水流特性產(chǎn)生非常復(fù)雜的影響，水流條件難以把控[1-2]。流態(tài)不佳的水流進(jìn)入泵站進(jìn)水池不利于泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，大范圍的旋渦進(jìn)入水泵機(jī)組，極易引起嚴(yán)重的汽蝕和振動(dòng)，從而損壞機(jī)組，對(duì)于以經(jīng)濟(jì)適用為主的老舊泵站來(lái)說(shuō)，甚至?xí){其站身結(jié)構(gòu)安全。

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)單座泵站的進(jìn)水池流態(tài)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，其中主要包括改善前池?cái)U(kuò)散角、控制前池順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度、進(jìn)行切灘、增設(shè)各種形式導(dǎo)流墻、底坎、壓水板、立柱等[3-6]。史艷華等[7]探究了多種方案切灘在錢(qián)塘江東江嘴彎道上的應(yīng)用;楊旭等[8]分析了鏤空式底坎對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站前池流態(tài)的影響;張聰聰?shù)萚9]研究了“Y”形導(dǎo)流墩幾何參數(shù)對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站前池流態(tài)的影響;于磊等[10]進(jìn)行了大擴(kuò)散角泵站前池整流措施數(shù)值模擬分析。但對(duì)于分汊河道上多泵站聯(lián)合運(yùn)行條件下各泵站進(jìn)水側(cè)的流態(tài)與水力特性分析，尚需進(jìn)一步研究。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，跨流域調(diào)水工程相繼開(kāi)展，新建泵站流量普遍大于老泵站，保證新建泵站高效、安全、穩(wěn)定的完成調(diào)水、排水任務(wù)，同時(shí)降低或避免對(duì)老泵站運(yùn)行時(shí)的不利影響十分重要。本文運(yùn)用三維紊流模擬技術(shù)，結(jié)合多種整流措施，對(duì)分汊河道上一座新建泵站及兩座老泵站進(jìn)水側(cè)進(jìn)行整體數(shù)值模擬及分析，選出了最優(yōu)的整流方案，使新老3座泵站同時(shí)運(yùn)行時(shí)都能有較好的進(jìn)水條件。本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)分汊河道上多座泵站樞紐的聯(lián)合布置具有一定的理論參考作用。

1數(shù)值計(jì)算方法

1.1 數(shù)學(xué)方程

（1）流動(dòng)控制方程。河道內(nèi)水流流動(dòng)屬于復(fù)雜的三維不可壓縮湍流運(yùn)動(dòng)，采用的控制方程為連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及[k-ε]湍流模型方程[11-13]。

式中：[ρ]為流體密度;p為壓強(qiáng);Q為流量;t為時(shí)間;[u]，[v]，[w]分別為速度矢量在x，y，z軸方向上的分量。[τxx]，[τxy]，[τxz]分別為微元體表面上黏性應(yīng)力[τ]的分量;[fx]為作用在微元體上的體力;[k]為湍動(dòng)能，m2/s2;[ε]為湍動(dòng)耗散，m2/s3。μ為動(dòng)力黏度;[C1]、[C2]為模型常數(shù)，分別取1.44，1.92。

（2）均相流模型和VOF模型。在處理連續(xù)兩相流時(shí)采用均相流模型，一般認(rèn)為兩相速度與壓力相同，從而組成混合相。借由界面追蹤方法VOF識(shí)別兩相的界面。

式中：[α]為體積分?jǐn)?shù);[uc]為壓縮速度;下標(biāo)“g”與“l(fā)”分別表示氣相與液相，本研究中指空氣與水。

（3）水力優(yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)。為了判斷進(jìn)水側(cè)流場(chǎng)的優(yōu)劣，采用進(jìn)水側(cè)三維設(shè)計(jì)理論對(duì)進(jìn)水側(cè)優(yōu)化水力設(shè)計(jì)提出了具體的目標(biāo)函數(shù)。即：流速分布的均勻性和水流進(jìn)泵的方向性[14]。

式中：[ua]為平均軸向速度，m/s;[uai]為各單元的軸向速度，m/s;m為單元個(gè)數(shù);[uti]為各單元的橫向速度，m/s。

1.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

本研究中的兩相流，需同時(shí)考慮水和空氣，數(shù)值計(jì)算域包括相鄰的泵站一站、二站和三站進(jìn)水側(cè)的水域及空氣域（圖1）。其中，一站和二站為小流量老泵站，三站為大流量新建泵站。采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格對(duì)實(shí)體進(jìn)行分塊剖分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為769萬(wàn)左右（不同方案略有差別），網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.3以上，滿(mǎn)足數(shù)值計(jì)算要求。

計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置在3座泵站前的引河足夠遠(yuǎn)處，給定壓力進(jìn)口，壓力設(shè)置為1 atm。根據(jù)3座泵站的設(shè)計(jì)流量，在3座泵站進(jìn)水池出口斷面上設(shè)置質(zhì)量流量。固體壁面滿(mǎn)足不滑移條件，采用壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)的湍流流動(dòng)，避免將湍流模型直接用到近壁區(qū)，在黏性底層內(nèi)不布置任何節(jié)點(diǎn)，壁面上的切應(yīng)力按第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與壁面上的速度之差計(jì)算。開(kāi)敞邊界不限制邊界上的速度方向，本研究中，水面上方為大氣，因此將水面邊界壓力設(shè)置為大氣壓。基于商用軟件ANSYS CFX，采用分離求解器求解離散方程組，收斂精度設(shè)置為10-5量級(jí)[15]。

2 方案設(shè)計(jì)

應(yīng)用數(shù)值模擬方法，開(kāi)展了不同工況多種整流措施對(duì)3座泵站前池流態(tài)影響的研究。綜合比選后，本文給出了設(shè)計(jì)工況（設(shè)計(jì)水位13.1 m，一站流量50 m3/s，二站流量60 m3/s，三站流量340 m3/s）下的3種典型方案，包括原始方案、導(dǎo)流墻配合切灘方案、底坎配合切灘方案。各方案措施詳見(jiàn)表1，整流措施平面布置及具體結(jié)構(gòu)情況如圖2和圖3所示。由于切灘頂高程和底高程落差大，為了邊坡穩(wěn)定，切灘斷面采用二級(jí)坡形式。

3 結(jié)果與分析

3.1 原始方案下的進(jìn)水側(cè)流態(tài)

為了直觀反映原始方案進(jìn)水側(cè)流態(tài)，選取三站設(shè)計(jì)水位下3 m的水平面作為特征斷面（圖4），通過(guò)CFD數(shù)值模擬得到設(shè)計(jì)水位下3座泵站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，特征斷面A上的流線(xiàn)及流速分布（圖5）。

由圖5可知，由于一站規(guī)模小，抽水能力較弱，當(dāng)河道內(nèi)水流動(dòng)量因?yàn)楸谜韭?lián)合運(yùn)行而變大時(shí)，一站無(wú)法及時(shí)將水流抽至站上，因而在其站前出現(xiàn)了大范圍的漩渦和橫向水流。穩(wěn)定的渦帶隨著水流進(jìn)入水泵，易引起水泵機(jī)組的周期性震動(dòng)、葉片汽蝕以及效率降低等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至危及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在二站的引河上，有較明顯的河道擴(kuò)散角，在三站開(kāi)機(jī)后，二站口門(mén)處側(cè)向流速進(jìn)一步加大，加劇了脫流和偏流情況，惡化了二站的進(jìn)水條件，進(jìn)而導(dǎo)致二站邊機(jī)組難以達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行工況。同時(shí)，由于脫流處流速較低，易產(chǎn)生泥沙淤積，進(jìn)而產(chǎn)生漸進(jìn)累積式破壞，影響河流生態(tài)環(huán)境。三站的引河寬度較寬，且設(shè)計(jì)流量較大，受側(cè)向引水影響較小，整體流態(tài)較好，流線(xiàn)比較順直，沒(méi)有明顯的渦帶產(chǎn)生。但局部區(qū)域流速分布不太均勻，有一定偏流現(xiàn)象，邊機(jī)組流量較小，達(dá)不到理想工況。而且，泵站運(yùn)行時(shí)改變了原始河道的流態(tài)和動(dòng)量分布，造成河床左右動(dòng)量不平衡。因此，應(yīng)采取必要的整流措施對(duì)分汊河道上3座相鄰泵站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的水流流態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 整流方案下的進(jìn)水側(cè)流態(tài)

為了合理對(duì)比實(shí)施各方案時(shí)3座泵站進(jìn)水側(cè)流態(tài)的特征，繼續(xù)選取斷面A作為研究對(duì)象，繪制3個(gè)方案下相應(yīng)的流線(xiàn)及流速分布圖。

從圖6可知，一站口門(mén)處水流經(jīng)過(guò)方案二的導(dǎo)流墻后被分割成兩部分，流向得到較好調(diào)整，水流趨于合理，渦帶明顯變小。同時(shí)，導(dǎo)流墻一定程度上限制了橫向水流的發(fā)展，阻止偏流現(xiàn)象發(fā)生。但導(dǎo)流墩后方產(chǎn)生了尾渦，并且尾渦在行進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有得到很好處理，使邊機(jī)組處仍然有部分回流區(qū)，漩渦進(jìn)入機(jī)組不利于邊機(jī)組高效運(yùn)行，易產(chǎn)生汽蝕和振動(dòng)，整流方案不夠理想。采用方案三的底坎消渦措施后，坎后水流通過(guò)渦旋運(yùn)動(dòng)、水流混摻產(chǎn)生紊動(dòng)能交換，使水流原有流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，消耗了水流大部分剩余能量，流線(xiàn)比較順直，流速較為合理，水流趨于平緩，機(jī)組進(jìn)水流道前的流速平均，證明機(jī)組之間不存在搶水問(wèn)題，均能在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。

選取方案三時(shí)一站進(jìn)水側(cè)順?biāo)鞣较蚨鄠€(gè)斷面為研究對(duì)象，得到行進(jìn)過(guò)程流速矢量變化（圖7），1號(hào)底坎坎前水流側(cè)向流速大，有較大范圍的回流。水流通過(guò)1號(hào)底坎后，行進(jìn)方向各斷面流速矢量得到優(yōu)化，水流流向發(fā)生調(diào)整，但仍然存在小范圍回流現(xiàn)象。2號(hào)底坎的位置布置設(shè)置合理，如果距離一站太近，坎后水流得不到充分恢復(fù)，會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的渦帶，危害機(jī)組運(yùn)行，如果距離一站太遠(yuǎn)則起不到很好的整流作用。從最后一個(gè)斷面流速矢量分布可知，水流通過(guò)2號(hào)底坎后，流態(tài)得到充分改善，斷面上水流流速基本平均，流向基本一致。

從圖8可知，采用方案二時(shí)，二站引水受一站引水影響變大，側(cè)向流速增大，無(wú)法解決前池回流、偏流的問(wèn)題，改善效果不佳。采用方案三時(shí)，由于1號(hào)底坎的設(shè)置，一站前池流速降低，保證了充足水流進(jìn)入到二站的前池，再配合上切灘引導(dǎo)水流的作用，使二站進(jìn)水側(cè)水流變得較為順暢，斷面流速分布趨于均勻，水流偏移情況得到有效改善，利于機(jī)組的高效安全運(yùn)行。同時(shí)，切灘對(duì)河道進(jìn)行了拓寬和加固，河流排水能力增強(qiáng)，洪水發(fā)生時(shí)，能有效減輕沿岸的防洪壓力。

從圖9可知，3個(gè)方案下，一站站前水流整體均較為平順，但原始方案仍存在流速分布不均情況。實(shí)施方案二和方案三的切灘措施后，由于切灘設(shè)計(jì)為圓弧曲線(xiàn)，能夠很好地引導(dǎo)水流轉(zhuǎn)向，并且可以給水流提供一個(gè)作用在切灘側(cè)繞流的向心力，形成了向心加速度，有效地消耗了側(cè)向來(lái)流的一部分能量，降低了三站口門(mén)處水流流速，使水流流向得到調(diào)整，斷面整體流速降低，提高了各機(jī)組穩(wěn)定性。

綜合考慮幾個(gè)方案下3個(gè)泵站的站前水流情況，為保證新建三站高效穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低對(duì)一、二站開(kāi)啟時(shí)的不利影響，應(yīng)采用整流方案三。

3.3 三站特征斷面流速分布及水力特性分析

對(duì)進(jìn)水側(cè)特征斷面A的流線(xiàn)及流速分布進(jìn)行對(duì)比，仍無(wú)法充分比較三站流態(tài)情況。選取三站檢修閘門(mén)前2 m為特征斷面B（圖10），分析各流道的速度等值線(xiàn)分布，同時(shí)計(jì)算各流道在斷面B上的流速均勻度及速度加權(quán)平均角度。

圖10為3種方案下各機(jī)組的進(jìn)水特征斷面流速等值線(xiàn)分布。由于進(jìn)水側(cè)布置了中格墩，特征斷面上8臺(tái)機(jī)組被分成了16個(gè)流道。原始方案的大部分區(qū)域流速集中在0.2～0.4 m/s，8臺(tái)機(jī)組的進(jìn)水?dāng)嗝嬲w流速分布在水平方向和垂直方向都不均勻，2號(hào)機(jī)組有局部流速突變區(qū)域，產(chǎn)生渦帶，易造成泵裝置汽蝕和振動(dòng)，5號(hào)，6號(hào)和7號(hào)機(jī)組各2個(gè)進(jìn)水流道流速差異大，偏流情況嚴(yán)重，8號(hào)機(jī)組進(jìn)水條件惡劣，流速分布最不均勻，流道平均流速較低，機(jī)組難以達(dá)到理想工況。方案二及方案三通過(guò)切灘整流后，擴(kuò)大了進(jìn)水?dāng)嗝?，加大了河岸過(guò)水半徑，降低了水流各行進(jìn)斷面上的流速，使特征斷面B流速整體變小，水流趨于平緩，大部分流速集中在0.1～0.3 m/s，且主流比較居中，8臺(tái)機(jī)組流速較為接近，流量分布均勻，同一臺(tái)機(jī)組的兩個(gè)進(jìn)水通道流速基本相同，偏流現(xiàn)象得到了有效改善。

對(duì)比3個(gè)方案下特征斷面B的法向流速均勻度可知（圖11），原始方案的斷面法向流速均勻度平均值為79.3%，而方案二和方案三的斷面法向流速均勻度平均值分別為84.0%和84.5%。方案三的進(jìn)水?dāng)嗝媪魉倬鶆蚨茸罡?，相比于原始方案提高?.2%，更加接近于理想狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)水流在斷面B上的流速分布比較均勻，具有更好的水力特性。因此，采用底坎加切灘的整流措施使三站的進(jìn)水條件得到有效地改善，進(jìn)水流道中流態(tài)比較平順，進(jìn)水?dāng)嗝媪魉俦容^均勻，能夠滿(mǎn)足機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下的高效運(yùn)行。

由圖12可知，原始方案情況下，8臺(tái)機(jī)組的進(jìn)水?dāng)嗝嫠俣燃訖?quán)平均角度較小，偏離法向方向，其中最大值不超過(guò)77°，8號(hào)機(jī)組速度加權(quán)平均角最小僅有70°，其進(jìn)水流道中很可能產(chǎn)生了水流的立面翻滾或回流。水流流速紊亂，流向復(fù)雜，泵裝置進(jìn)水條件差，導(dǎo)致機(jī)組效率低下。方案二情況下，8臺(tái)機(jī)組的加權(quán)平均角度有所增大，均值達(dá)到了77.20，相比方案一提高了5.4%，水流流向得到較明顯改善。方案三情況下，各個(gè)進(jìn)水流道加權(quán)平均角度情況略?xún)?yōu)于方案二，總體上為斷面水流加權(quán)平均角度最優(yōu)狀態(tài)，更加接近理想狀態(tài)下的90°，水力特性較好，符合三維優(yōu)化水力設(shè)計(jì)方法的要求。

4 結(jié) 論

應(yīng)用三維優(yōu)化水力設(shè)計(jì)方法，采用數(shù)值模擬軟件，利用流體體積法（VOF）考慮自由水面影響，基于泵站特征水位和流量，研究了分汊河道上3座泵站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的來(lái)流條件和整流措施，得到結(jié)論如下。

（1）新建的三站側(cè)向進(jìn)水，且設(shè)計(jì)流量較大，造成河床左右動(dòng)量不平衡，使一站站前出現(xiàn)了大范圍的漩渦和橫向水流，二站口門(mén)處出現(xiàn)了部分水流的脫流情況，易造成泥沙淤積，使邊機(jī)組達(dá)不到設(shè)計(jì)流量。

（2）采用了多種整流方案，對(duì)比了3座泵站進(jìn)水側(cè)流線(xiàn)、流速分布、進(jìn)水?dāng)嗝媪魉倬鶆蚨群退俣燃訖?quán)平均角度情況。其中，方案三（底坎措施配合切灘措施）整流效果最為顯著。特征斷面流速均勻度提高了15%，速度加權(quán)平均角度平均抬高了8°。能夠保證三站高效穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)降低對(duì)一、二站的不利影響。

（3）采用CFD軟件進(jìn)行全流場(chǎng)流態(tài)分析，對(duì)分汊河道上相鄰多座泵站樞紐聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的影響性研究具有一定的理論指導(dǎo)作用。

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（編輯：李 慧）