大寨河閘站對稱分布機(jī)組進(jìn)水水流數(shù)值模擬

吳佩鋒，周慶連，丁 浩，王振華，徐 靜

(1.江陰水利局，江蘇 江陰 214400； 2.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222006； 3.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127； 4.揚(yáng)州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007)

1 概 述

隨著近幾年我國水利建設(shè)速度的不斷加快，中小型水利建筑物得到快速發(fā)展。閘站建筑物中，泵站與水閘是通過隔流墩隔開，其中泵站前池作用是為了保證水流從引水渠流向進(jìn)水池的過程中能夠平順擴(kuò)散，為進(jìn)水池提供良好流態(tài)[1-3]?！侗谜驹O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)要求泵站進(jìn)水流態(tài)良好，滿足水泵進(jìn)水要求，且便于清淤和管理維護(hù)[2]。閘站隔流墩會導(dǎo)致泵站邊機(jī)組側(cè)產(chǎn)生較大回流，降低泵站邊機(jī)組運(yùn)行效率，甚至加大泵站機(jī)組振動噪聲。為減小閘站隔流墩泵站邊機(jī)組回流的影響，須對閘站多機(jī)組泵站與水閘布置形式進(jìn)行研究，本文擬采用CFD數(shù)值模擬方法，分析閘站布置形式進(jìn)水流態(tài)的影響。

2 工程概況

大寨河閘站工程位于大寨河入新濉河口門處，閘站工程在新濉河行洪時具有擋洪功能，建設(shè)地點(diǎn)選在新濉河右堤位置。大寨河擬建位置河底寬約15 m，河坡坡比1∶2，河堤頂高程約17.5～19.0 m，左堤外為綠化區(qū)，右堤外為農(nóng)田?？紤]大寨河河勢條件和現(xiàn)場地形，節(jié)制閘布置在河道中心線上，節(jié)制閘設(shè)計(jì)過閘流量73.2 m3/s；泵站分別布置在節(jié)制閘兩側(cè)，北側(cè)2臺機(jī)組結(jié)合引水流量7.0 m3/s，采用立軸式機(jī)組配X形流道的雙向泵站，雙向泵站一用一備，南側(cè)2臺機(jī)組為立軸式機(jī)組單向泵站，泵站排澇流量29.1 m3/s?？紤]大寨河右堤外為農(nóng)田，為避免占用農(nóng)田，控制室布置在左岸，檢修間布置在右岸，排澇時使用全部機(jī)組，引水時使用左岸2臺機(jī)組。大寨河閘站布置見圖1。

3 數(shù)學(xué)模型

大寨河閘站節(jié)制閘布置在河道中心線上，泵站分別布置在節(jié)制閘兩側(cè)，閘室凈寬12 m；閘站每側(cè)布置2臺機(jī)組，凈寬5 m，共4臺機(jī)組；河道河底寬40 m，河底高程9.0 m(廢黃河高程，下同)，河道邊坡1∶3。根據(jù)地涵工程建筑物及河道布置情況，按照1∶1(單位：m)比例，建立水流三維數(shù)學(xué)模型，其中河道長度大于5倍水面寬，滿足規(guī)范要求。見圖2。

4 計(jì)算設(shè)置

4.1 控制方程

該閘站工程水流流動區(qū)域三維數(shù)值模擬采用三維雷諾時均N-S方程來描述其不可壓縮湍流流動，方程式如下:

連續(xù)性方程：

雷諾時均N-S方程：

式中：ρ為流體密度；t為時間；ui(i=x，y，z)為速度沿i方向的分量；p為壓力；v為流體的運(yùn)動黏性系數(shù)。

4.2 可實(shí)現(xiàn)k-e模型方程

計(jì)算湍流模型選擇realizable k-e方程，對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)、二次流有很好的表現(xiàn)。

4.3 邊界條件設(shè)置

進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口；出口設(shè)置為自由出流，水流與空氣接觸面為剛蓋假定，其余壁面均設(shè)為無滑移壁面條件，設(shè)定參考大氣壓力為1atm。所有邊壁均設(shè)為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 結(jié)果分析

計(jì)算工況考慮泵站排澇設(shè)計(jì)水位工況(節(jié)制閘關(guān)閉)，即大寨河側(cè)(上游)水位14.00 m，新濉河側(cè)(下游)水位16.90 m，泵站排澇設(shè)計(jì)流量29.1 m3/s。

圖3為該閘站表流平面流態(tài)結(jié)果分布圖。引水前池水流流態(tài)較為平順，無回流等不良流態(tài)，引水口兩側(cè)5倍水面寬長度內(nèi)主流流速范圍在0.1～0.2 m/s。水流在節(jié)制閘內(nèi)形成大尺度回流，回流流速為0.1 m/s左右。節(jié)制閘左右兩側(cè)機(jī)組水流流態(tài)分布較為均勻，靠近節(jié)制閘兩側(cè)機(jī)組有很小的回流，對泵站進(jìn)水影響很小，可忽略不計(jì)；兩側(cè)邊機(jī)組流態(tài)非常均勻，對泵站進(jìn)水幾乎無任何不利因素。圖3計(jì)算結(jié)果表明，該閘站節(jié)制閘居中布置且兩側(cè)各布置兩臺泵站機(jī)組，有利于水流平穩(wěn)進(jìn)入泵站機(jī)組流道，機(jī)組內(nèi)無不良流態(tài)，閘站平面布置合理。

圖3 平面流態(tài)分布結(jié)果云圖

圖4為該泵站機(jī)組流道進(jìn)口流速分布結(jié)果云圖。節(jié)制閘兩側(cè)邊機(jī)組流速分布均勻，主流流速范圍在0.28～0.3 m/s以內(nèi)，且?guī)缀鯘M堂分布。靠近節(jié)制閘的兩側(cè)機(jī)組流道進(jìn)口最大流速分布范圍為0.3～0.34 m/s之間，最小流速分布范圍為0.14～0.34 m/s之間，流速分布均勻度不如兩側(cè)邊機(jī)組，但幾乎不影響機(jī)組運(yùn)行效率。

圖4 泵站機(jī)組流道進(jìn)口流速分布結(jié)果云圖

綜上所述，引水前池水流流態(tài)較為平順，無回流等不良流態(tài)；節(jié)制閘內(nèi)形成大尺度回流，節(jié)制閘左右兩側(cè)機(jī)組無不良水流流態(tài)；各機(jī)組流道進(jìn)口流速分布較為均勻。該閘站節(jié)制閘居中布置且兩側(cè)各布置兩臺泵站機(jī)組，有利于水流平穩(wěn)進(jìn)入泵站機(jī)組流道，機(jī)組內(nèi)無不良流態(tài)，閘站平面布置合理。

6 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬，分析了泵站機(jī)組對稱布置對進(jìn)水流態(tài)、流速分布的影響，結(jié)論如下：

1) 閘站引水前池水流流態(tài)較為平順，無回流等不良流態(tài)。

2) 閘站各機(jī)組流道進(jìn)口流速分布較為均勻。

3) 閘站節(jié)制閘居中布置且兩側(cè)各布置兩臺泵站機(jī)組，有利于水流平穩(wěn)進(jìn)入泵站機(jī)組流道，機(jī)組內(nèi)無不良流態(tài)，閘站平面布置合理。