泵站進(jìn)水池翼型導(dǎo)流板整流特性數(shù)值模擬

羅 燦，雷帥浩，陳 鋒，劉 浩，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.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；3.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000； 4.鎮(zhèn)江新區(qū)水利站，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

截至2019年底，全國(guó)已建成中小型泵站占流量1 m3/s以上或裝機(jī)功率50 kW及以上泵站的比例超過(guò)99%[1]。對(duì)于中小型泵站而言，其進(jìn)水絕大多數(shù)采用的是進(jìn)水池。泵站有正向進(jìn)水和側(cè)向兩種進(jìn)水方式。受工程布置條件限制時(shí)，往往采用側(cè)向進(jìn)水，進(jìn)水條件欠佳，進(jìn)水池常伴有旋渦、回流等不良流態(tài)[2]，需要采取適當(dāng)?shù)恼鞔胧?。常?jiàn)的整流措施有：①導(dǎo)流板[3]、導(dǎo)流墩[4-6]、導(dǎo)流柵[7-8]等導(dǎo)流措施，該種措施可以平順地引導(dǎo)水流轉(zhuǎn)向，明顯改善池內(nèi)水流流速分布，消除大尺度的回旋區(qū)，提高水流均勻性；②底坎[6,9-11]和立柱[12-14]，其中底坎常用于前池整流，立柱的設(shè)置可以有效地破壞進(jìn)水旋渦，使得水流重新分配；③壓水板[15]，該措施常設(shè)置在運(yùn)行水位附近，通過(guò)約束面層水流，迫使面流和底流摻混，流速得以重新分布，進(jìn)而改善池內(nèi)流態(tài)，同時(shí)還能起到一定的消除池內(nèi)淤積的作用。本文在前人的基礎(chǔ)上，借鑒壓水板擠壓水流的原理，提出了一種翼型導(dǎo)流板，該翼型導(dǎo)流板利用挑流原理，使水流流速重新分布，進(jìn)而改善水流流態(tài)。該研究一方面有助于拓寬整流思路，另一方面也可被同類泵站借鑒和采納。

1 計(jì)算域及數(shù)值模擬方法

由于工程實(shí)際，某泵站將船閘和泵站合建，船閘航道同時(shí)作為泵站前池。為保證泵站正常運(yùn)行，上閘首處于常開狀態(tài)，航道即為泵站的前池，該泵站為典型的閘站式側(cè)向進(jìn)水泵站。為改善池內(nèi)不良流態(tài)，考慮到前池作為航道，必須保證船舶通航條件通暢，不合適布置整流措施，故將整流措施設(shè)置于進(jìn)水池內(nèi)。圖1為該泵站原型計(jì)算域示意圖，包括前池、進(jìn)水池和吸水管。該站共有4臺(tái)軸流式水泵機(jī)組，單機(jī)流量1.5 m3/s，設(shè)計(jì)流量6 m3/s，設(shè)計(jì)進(jìn)水管直徑D=1 m，水深4D，進(jìn)水池長(zhǎng)9.5D，寬3D，喇叭管進(jìn)口直徑1.4D，懸空高與后壁距均為D。此外，兩側(cè)機(jī)組各有1個(gè)空置進(jìn)水池作為擴(kuò)容備用。

圖1 計(jì)算域示意圖

采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了整體網(wǎng)格離散。為了避免網(wǎng)格可能對(duì)計(jì)算結(jié)果造成干擾，開展了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，選取進(jìn)出口的水力損失作為特征參數(shù)，計(jì)算相鄰網(wǎng)格方案的相對(duì)誤差，結(jié)果表明：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)183.1萬(wàn)時(shí)，水力損失誤差在±2%以內(nèi)，該網(wǎng)格數(shù)量滿足計(jì)算要求。

通過(guò)計(jì)算該流動(dòng)中的雷諾數(shù)，同時(shí)不考慮水的可壓縮性，判定該泵站池內(nèi)的流動(dòng)為復(fù)雜的不可壓縮紊流流動(dòng)?；赗ANS方程，采用Realizablek-ε湍流模型和SIMPLEC算法進(jìn)行求解[10]，獲取計(jì)算域全流場(chǎng)數(shù)據(jù)。進(jìn)口取前池入口處，流量為6 m3/s。出口取吸水管出口側(cè)，設(shè)置為自由出流，參考?jí)毫?.1 MPa。壁面設(shè)置為wall，采取scalable壁面函數(shù)對(duì)壁面處理。液面為自由水面，設(shè)為對(duì)稱邊界條件。

2 研究方案

2.1 特征斷面選取

如圖1所示，選取4個(gè)斷面研究各方案進(jìn)水池的流態(tài)。斷面1—1距自由水面的距離為0.4D，用來(lái)分析進(jìn)水池上層流態(tài)；斷面2—2距自由水面的距離為2D，用來(lái)分析進(jìn)水池中層流態(tài)；斷面3—3距進(jìn)水池底板的距離為0.4D，用來(lái)分析進(jìn)水池下層流態(tài)；斷面4—4距進(jìn)水池后壁的距離為2.5D，用來(lái)分析吸水管前的流態(tài)。

2.2 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)原方案(即無(wú)整流措施)進(jìn)水池內(nèi)存在的回流等不良流態(tài)，本文提出在進(jìn)水池進(jìn)口附近設(shè)置翼型導(dǎo)流板進(jìn)行整流，翼型選用標(biāo)準(zhǔn)的NACA0012翼型，其弦長(zhǎng)Lc=1D，最大厚度W=0.18D，如圖2所示，圖中翼型導(dǎo)流板參數(shù)分為幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置參數(shù)兩類，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)有Lc、W和仰角α，位置參數(shù)有進(jìn)口距L和距深比d′，其中進(jìn)口距L指翼型導(dǎo)流板前緣距進(jìn)水池進(jìn)口的距離，距深比d′指翼型導(dǎo)流板的間距d和池內(nèi)水深H的比值(當(dāng)選用1個(gè)翼型導(dǎo)流板時(shí)，距深比d′指翼型導(dǎo)流板距池底的距離和池內(nèi)水深的比值)。

圖2 進(jìn)水池內(nèi)導(dǎo)流板布置

為了研究翼型導(dǎo)流板的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置參數(shù)對(duì)進(jìn)水池流態(tài)的影響，設(shè)計(jì)了等水平正交試驗(yàn)，其中試驗(yàn)因素有進(jìn)口距A、仰角B和距深比C(表1)，各因素水平為4。方案設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2，其中翼型導(dǎo)流板L16(45)正交方案設(shè)計(jì)為表2中的方案1～16。

表1 翼型導(dǎo)流板因素及水平

表2 方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

注：考慮各方案下各進(jìn)水池軸向流速均勻度和速度加權(quán)平均角不盡相同，為了綜合分析各方案的整流效果，特選取每種方案下4個(gè)進(jìn)水池特征斷面4—4軸向流速均勻度和速度加權(quán)平均角的平均值作為流態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 整流效果分析

3.1 流態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

一般而言，需要從流線分布和特征流動(dòng)參數(shù)兩方面進(jìn)行流態(tài)的定性和定量分析。本文采用軸向速度分布均勻度Vau和軸向速度加權(quán)平均角θ對(duì)流態(tài)進(jìn)行定量分析。軸向速度分布均勻度Vau用于評(píng)價(jià)特征斷面上軸向流速的分布均勻程度，其數(shù)值越接近100%，斷面流速分布越均勻；速度加權(quán)平均角θ則是斷面軸向速度與斷面的夾角，其數(shù)值越接近90°，流動(dòng)平順性越好[16]。其中，軸向速度分布均勻度的計(jì)算為

式中：vai為斷面各節(jié)點(diǎn)軸向速度；va為斷面平均軸向速度；n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。

3.2 正交試驗(yàn)分析

計(jì)算各方案進(jìn)水池縱剖面的軸向流速分布均勻度和速度加權(quán)平均角，將其列于表2中。采用直觀分析法，對(duì)正交方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到試驗(yàn)因素的主次順序及優(yōu)化方案，計(jì)算結(jié)果分析見(jiàn)表3和表4。表中Ki為第i行對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果之和；ki為第i行所得計(jì)算結(jié)果的算數(shù)平均值；R為極差。

表3 軸向流速分布均勻度正交試驗(yàn)分析 %

表4 速度加權(quán)平均角正交試驗(yàn)分析 (°)

從表3和表4可以看出，各列的極差完全不同，說(shuō)明各因素的水平對(duì)指標(biāo)的影響不一，極差越大，說(shuō)明該因素對(duì)指標(biāo)的影響作用越大，其對(duì)應(yīng)因素即為主要因素。無(wú)論是軸向流速分布均勻度還是速度加權(quán)平均角，C因素均為最主要的因素，其次為B因素，最后為A因素，即翼型導(dǎo)流板距深比對(duì)流態(tài)影響最大，其次為仰角，進(jìn)口距對(duì)流態(tài)影響較小。此外，空列極差均小于3個(gè)因素的極差，這說(shuō)明3個(gè)因素之間不存在不可忽略的交互作用。對(duì)于不同的指標(biāo)，優(yōu)化方案的選擇完全不同，將軸向速度分布均勻度作為對(duì)比指標(biāo)，因素主次排序?yàn)镃、B、A，優(yōu)化方案為方案4(進(jìn)口距1D，仰角25°，距深比1.25)，其次為方案17(進(jìn)口距2.5D，仰角25°，距深比1.25)，而將速度加權(quán)平均角作為對(duì)比指標(biāo)，因素主次排序依然為C、B、A，優(yōu)化方案為方案18(進(jìn)口距2D，仰角10°，距深比0.5)。

圖3為各指標(biāo)趨勢(shì)圖，從中更直觀地發(fā)現(xiàn)：對(duì)于兩種流態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)口距2D均是其趨勢(shì)線的拐點(diǎn)，當(dāng)進(jìn)口距小于2D時(shí)，軸向速度分布均勻度有隨進(jìn)口距增加而減小的趨勢(shì)，速度加權(quán)平均角則隨進(jìn)口距增加而增加；軸向速度分布均勻度隨仰角和個(gè)數(shù)增加而增加，速度加權(quán)平均角變化趨勢(shì)完全相反；當(dāng)進(jìn)口距為1D，仰角為25°，距深比為1.25時(shí)軸向速度分布均勻度最大，其次是進(jìn)口距為2.5D，仰角為25°，距深比為1.25時(shí)；當(dāng)進(jìn)口距為2D，仰角為10°，距深比為0.5時(shí)速度加權(quán)平均角最大。

圖3 各指標(biāo)趨勢(shì)

選取具有代表性的方案4、5、12、17與原方案進(jìn)行對(duì)比，分析進(jìn)水池三維渦帶分布圖，進(jìn)而定性分析各指標(biāo)趨勢(shì)線的拐點(diǎn)現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 進(jìn)水池渦分布

從圖4(a)不難看出：原方案下，1號(hào)進(jìn)水池存在大尺度的渦，從進(jìn)口持續(xù)到吸水管，從底層持續(xù)到面層，其中，立面渦約占該進(jìn)水池一半的區(qū)域，斷面4—4近一半多的區(qū)域被立面渦包圍；2號(hào)進(jìn)水池渦相比1號(hào)進(jìn)水池范圍縮小一半，從進(jìn)口持續(xù)到吸水管，從底層持續(xù)到面層，斷面4—4約30%的區(qū)域被立面渦包圍；3號(hào)進(jìn)水池立面渦尺寸明顯減小，僅在進(jìn)口和吸水管進(jìn)水側(cè)存在，斷面4—4較小范圍被立面渦包圍；4號(hào)進(jìn)水池立面渦大大縮小，僅存在于進(jìn)水池進(jìn)水側(cè)上層，斷面4—4很小范圍被立面渦包圍。從圖4(b)～(e)明顯發(fā)現(xiàn)：①對(duì)于1號(hào)進(jìn)水池，翼型導(dǎo)流板前立面渦尺度與其進(jìn)口距成正比關(guān)系，立面渦經(jīng)過(guò)翼型導(dǎo)流板后變?yōu)楦降诇u，附底渦持續(xù)到吸水管附近，在進(jìn)口距L=2D之前，附底渦尺度隨進(jìn)口距的增加單調(diào)遞增，但當(dāng)進(jìn)口距超過(guò)2D后，其變化趨勢(shì)剛好相反，與圖3進(jìn)口距對(duì)進(jìn)水池流態(tài)指標(biāo)影響趨勢(shì)一致；當(dāng)進(jìn)口距L=1D時(shí)，翼型導(dǎo)流板從渦的前端完全破壞了此渦，水流經(jīng)翼型導(dǎo)流板重新分布流速后，進(jìn)水池底部存在充分發(fā)展的小尺度附底渦，斷面4—4附近附底渦尺度最??；當(dāng)進(jìn)口距L=1.5D時(shí)，翼型導(dǎo)流板從渦的前中部破壞了該渦，一般充分發(fā)展的附底渦尺度與方案4相比有所增大，尤其在斷面4—4附近最為明顯；當(dāng)進(jìn)口距L=2D時(shí)，翼型導(dǎo)流板從渦的中部破壞了該渦，較充分發(fā)展的附底渦尺度與方案5相比明顯增大，其中斷面4—4附近附底渦變大趨勢(shì)最為明顯；當(dāng)進(jìn)口距L=2.5D時(shí)，翼型導(dǎo)流板從渦的后部開始破壞，重新分布的流速距吸水管過(guò)近，由于喇叭口的吸束作用，附底渦未得到充分發(fā)展就進(jìn)入吸水管，部分發(fā)展的附底渦尺度較方案4大、方案5和方案12小，尤其在斷面4—4附近最為明顯。②對(duì)于2號(hào)進(jìn)水池，翼型導(dǎo)流板前立面渦尺度與1號(hào)進(jìn)水池變化趨勢(shì)一致，經(jīng)過(guò)翼型導(dǎo)流板后僅在翼型導(dǎo)流板下表面、后緣以及后壁處存在小的渦團(tuán)；③對(duì)于3號(hào)和4號(hào)進(jìn)水池，進(jìn)水池內(nèi)立面渦均消失，翼型導(dǎo)流板附近和后壁處存在小的渦團(tuán)。故圖3出現(xiàn)了拐點(diǎn)現(xiàn)象。

3.3 斷面流態(tài)分析

從表3和圖3中不難發(fā)現(xiàn)，不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方案完全不同，為了進(jìn)一步確定進(jìn)水池整流的最佳措施，并對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這時(shí)考慮各優(yōu)化方案及原方案下進(jìn)水池的橫斷面流態(tài)。

圖5為進(jìn)水池面層流態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)：原方案下，1號(hào)進(jìn)水池近一半的區(qū)域存在大尺度的旋渦(圖中紅色線框)，主流嚴(yán)重偏向進(jìn)水池右側(cè)，2號(hào)進(jìn)水池左側(cè)進(jìn)口附近有回旋區(qū)，主流整體偏右，后壁存在繞流，3號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口左側(cè)有回旋區(qū)，后壁有小范圍的旋渦，4號(hào)進(jìn)水池流線分布均勻?qū)ΨQ，后壁有較大范圍的旋渦；方案4下，進(jìn)水池回旋區(qū)消失，流線分布均勻，僅在進(jìn)水管后面和1號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口附近形成小范圍旋渦，流態(tài)整體很好；方案17下，1號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)減少90%左右，左側(cè)進(jìn)口附近存在有橫向流速，2號(hào)和3號(hào)進(jìn)水池左側(cè)回旋區(qū)完全消失；方案18下，1號(hào)進(jìn)水池流態(tài)得到改善，回旋區(qū)減少30%左右，2號(hào)進(jìn)水池流態(tài)無(wú)明顯變化，3號(hào)進(jìn)水池左側(cè)回旋區(qū)消失，3號(hào)和4號(hào)進(jìn)水池后壁處有小范圍旋渦。從進(jìn)水池面層流態(tài)明顯看出，方案4下的進(jìn)水池流態(tài)最好，流線更均勻?qū)ΨQ。

圖5 進(jìn)水池面層流態(tài)

圖6為進(jìn)水池中層流態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)：原方案下，1號(hào)進(jìn)水池被大面積的回旋區(qū)占據(jù)，回旋范圍相比面層流態(tài)有所擴(kuò)大，主流嚴(yán)重偏右，2號(hào)進(jìn)水池左側(cè)存在回旋區(qū)，回流從進(jìn)口延伸至進(jìn)水管前端，回旋范圍相比面層流態(tài)略有擴(kuò)大，主流整體偏右，后壁有繞流存在，3號(hào)進(jìn)水池左側(cè)有較小的回旋區(qū)，后壁存在繞流；方案4下，進(jìn)水池大尺度回旋區(qū)完全消失，流線分布均勻?qū)ΨQ，僅在進(jìn)水池后壁處和1號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口附近形成小范圍旋渦，整體流態(tài)很好；方案17下，1號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)減少90%左右，2號(hào)和3號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)消失，與方案4相比，1號(hào)進(jìn)水池旋渦范圍明顯更大；方案18下，1號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)減少了60%左右，2號(hào)和3號(hào)進(jìn)水池左側(cè)回旋區(qū)消失，4號(hào)進(jìn)水池后壁有小范圍旋渦，1～3號(hào)進(jìn)水池后壁存在繞流。從進(jìn)水池中層流態(tài)明顯看出，方案4下的進(jìn)水池流態(tài)最好，流線分布更均勻?qū)ΨQ。

圖6 進(jìn)水池中層流態(tài)

圖7為進(jìn)水池底層流態(tài)，不難發(fā)現(xiàn)：原方案下，1號(hào)進(jìn)水池存在大面積回流區(qū)，回流區(qū)相比面層和中層流態(tài)有所擴(kuò)大，主流明顯偏右，2號(hào)進(jìn)水池左側(cè)存在回旋區(qū)，回流區(qū)相比面層和中層流態(tài)變小，1～3號(hào)進(jìn)水池后壁處流線從進(jìn)水池右側(cè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流向進(jìn)水管，流線分布不對(duì)稱；方案4下，1號(hào)進(jìn)水池負(fù)流速區(qū)域明顯變小，左側(cè)進(jìn)口附近存在有橫向流速，后壁處流線大部分對(duì)稱流向進(jìn)水管，2號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)消失，后壁處流線基本對(duì)稱流向進(jìn)水管，3號(hào)進(jìn)水池后壁處流線均勻?qū)ΨQ流向進(jìn)水管；方案17下，1號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)減少60%左右，2號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)減少50%左右，進(jìn)水池后壁存在小的旋渦；方案18下，1號(hào)和2號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)有所減少，后壁流線分布較原方案相對(duì)對(duì)稱，3號(hào)進(jìn)水池后壁流線分布明顯均勻?qū)ΨQ。從進(jìn)水池底層流態(tài)明顯看出，方案17下的進(jìn)水池流態(tài)最好，流線分布更均勻?qū)ΨQ。

圖7 進(jìn)水池底層流態(tài)

3.4 斷面流速均勻分析

圖8為進(jìn)水池縱剖面軸向速度云圖。原方案下1～4號(hào)進(jìn)水池左側(cè)均存在負(fù)流速區(qū)，流速分布嚴(yán)重不均，其中1號(hào)和2號(hào)進(jìn)水池流態(tài)最差；方案4和方案17下各進(jìn)水池負(fù)流速區(qū)消失，1號(hào)和2號(hào)進(jìn)水池流速分布基本均勻，3號(hào)和4號(hào)進(jìn)水池流速分布均勻?qū)ΨQ；方案18下1號(hào)和2號(hào)進(jìn)水池負(fù)流速區(qū)減少了一半之多，但流速分布依舊嚴(yán)重不均，3號(hào)和4號(hào)進(jìn)水池負(fù)流速區(qū)消失，流速分布比較均勻?qū)ΨQ。

圖8 4個(gè)進(jìn)水池縱剖面軸向速度云圖

表5為進(jìn)水池縱剖面流態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)表。原方案下，各進(jìn)水池的軸向速度分布均勻度不高，平均為76.84%，縱斷面速度加權(quán)平均角平均值為72.5°；方案4下，軸向速度分布均勻度極大，最大提高至91.36%，平均提高了13.36%，提高率為17.4%，而縱斷面速度加權(quán)平均角有所下降，平均減少了5.37°，下降率為7.9%；方案17下，軸向速度分布均勻度明顯提高，平均提高了11.35%，相比方案4少提高2.01%，而縱斷面速度加權(quán)平均角有所下降，平均減少了4.35°，相比方案4少減少1.02°；方案18下，軸向速度分布均勻度有所提高，平均提高了3.17%，而縱斷面速度加權(quán)平均角略有下降，平均減少了1.48°。綜合考慮縱剖面速度云圖及流態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)表，不難看出，方案4整流效果最為明顯。

表5 4個(gè)進(jìn)水池縱剖面流態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合考慮斷面流態(tài)和斷面流速均勻性，明顯看出方案4整流效果最為明顯。為了進(jìn)一步分析方案4的整流特性，特選取流態(tài)最差的1號(hào)進(jìn)水池，截取其回流區(qū)渦核中心進(jìn)行流態(tài)研究，該截面距進(jìn)水管中心線0.8D，圖9為進(jìn)水池立面渦圖(y=0處為進(jìn)水池進(jìn)口)。無(wú)整流措施下，1號(hào)進(jìn)水池存在大尺度的立面渦(圖中紅色線框區(qū)域)，旋渦中心距進(jìn)水池進(jìn)口5.3D，距池底0.6D，對(duì)進(jìn)水管附近的流態(tài)影響較大。設(shè)置翼型導(dǎo)流板后，流態(tài)明顯改善，立面渦范圍明顯縮小一半之多，旋渦強(qiáng)度中心向前移動(dòng)2.2D，向上移動(dòng)0.1D，旋渦明顯提前，對(duì)進(jìn)水管附近的流態(tài)影響較小。

圖9 進(jìn)水池立面渦

4 結(jié) 論

a.原方案下，1～3號(hào)進(jìn)水池均存在大尺度的回旋區(qū)，流態(tài)極其不好，流速分布不均勻，其中1號(hào)進(jìn)水池回旋區(qū)占據(jù)半個(gè)進(jìn)水池；

b.翼型導(dǎo)流板可以有效破壞進(jìn)水池內(nèi)渦，使得破壞后的水流沿其上表面和下表面流動(dòng)，流速場(chǎng)得到最大程度的均勻分布；

c.方案4(進(jìn)口距為1D，仰角為25°，距深比為1.25)下，進(jìn)水池大尺度回旋完全消失，流速分布均勻，軸向流速分布均勻度大幅上升，最大提升至91.36%，速度加權(quán)平均角小幅下降，整流效果最佳。