徐存東,李嘉明,王榮榮,田俊姣,2,劉子金,王 燕,3,許 續(xù)
(1.華北水利水電大學水利學院,河南 鄭州 450046;2.河南省水工結構安全工程技術研究中心,河南 鄭州 450046;3.浙江省農村水利水電資源配置與調控關鍵技術重點實驗室,浙江 杭州 310018)
泵站是灌區(qū)的重要組成部分,泵站前池內部水流流態(tài)對泵站的工作效率、壽命以及各機組的進水條件等有重要影響。尤其在多沙河流中,泵站前池內的不良流態(tài)會造成前池內泥沙淤積嚴重,劣化泵站各機組的進水條件,降低泵站運行效率及壽命,甚至導致泵站的安全事故,對附近地區(qū)的社會和經(jīng)濟發(fā)展造成嚴重影響[1]。因此開展多泥沙河流泵站前池水沙流場特性的研究對提高泵站水力穩(wěn)定性、降低泵站運行維護投入、保障泵站系統(tǒng)的高效安全運行具有重要意義。
為改善泵站前池的內部流態(tài),國內外學者對泵站前池的水力特性及泥沙沉積規(guī)律開展了大量的研究。竇元之等[2]采用水力模型試驗法,研究了清水條件及不同來沙條件下不同擴散角方案的前池流態(tài)及泥沙淤積情況,研究表明,前池擴散角取25°或30°兩種方案,對應的水流流態(tài)及防淤效果表現(xiàn)較好。徐存東等[3]在對多沙水源引水的側向進水泵站進行現(xiàn)場調查的基礎上,引入逆向工程技術,建立了淤積狀態(tài)下的泵站前池(原位泵站前池)與非淤積狀態(tài)下的泵站前池(原型泵站前池)三維幾何模型,分析了不同開機組合對前池流態(tài)的影響,研究表明,側向泵站機組對稱開啟可改善前池流態(tài)。資丹等[4]為解決泵站前池和進水池內的旋渦問題,構建了組合式導流墩并展開前池流態(tài)數(shù)值模擬,研究表明,組合式導流墩對前池及進水池內流態(tài)改善作用明顯。劉超等[5]針對開敞式泵站進水池,利用紊流模型對進水池及吸水管道內部的水流流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬,分析了泵站進水池內水流的運動特性,提出了泵站進水池的最優(yōu)設計控制尺寸。羅燦等[6]提出了底坎、立柱、底坎+立柱等3種前池流態(tài)改進措施,并對不同導控措施下的側向進水前池內部流態(tài)開展了模擬研究,結果表明,設立矩形底坎能顯著改善前池流態(tài)。Constantinescu等[7]通過使用Standardk-ε方程對前池的內部旋渦強度及其分布情況進行了數(shù)值模擬,通過對比數(shù)值模擬及模型測試得出的前池內部旋渦結構和分布情況,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結果與模型測試結果高度吻合,并表明數(shù)值模型的選取和不同邊界條件的選擇將會對旋渦強度及其分布產(chǎn)生較大的影響。
綜上分析可知,目前針對泵站前池流場及泥沙特性所開展的研究大多采用數(shù)值模擬方法,受研究方法和手段的限制,且現(xiàn)有研究多是清水工況條件下的原型泵站結構流場特性研究,而針對原位泵站結構流場的研究比較匱乏,研究成果對于水源含沙提水泵站工程不具普適性。本文以景電灌區(qū)某典型正向進水泵站前池為研究對象,通過現(xiàn)場測量、逆向工程技術等方法,分析泵站引水含沙量和水流實際流態(tài),同時獲取原位泵站前池三維幾何模型,為數(shù)值模擬探索不同開機組合對泵站前池水沙流場特性的影響提供基礎。
選取景電灌區(qū)內淤積狀態(tài)具有代表性的正向進水泵站前池作為研究對象,該泵站設計流量6.0 m3/s,泵站前池設計水位為1 604.45 m,共裝備8臺機組,其中1號和8號機組為備用機組,5號機組的設計流量為1.6 m3/s,對應的吸水管管徑d=1 000 mm,其余機組的設計流量為0.88 m3/s,吸水管管徑均為d=800 mm。
為對原位泵站前池三維幾何模型的重構提供基礎圖件,需對該典型泵站進行現(xiàn)場掃描,進而獲取淤積狀態(tài)下泵站前池的點云數(shù)據(jù)。通過Leica Scan Station P30三維激光掃描儀對淤積狀態(tài)下的泵站前池開展多站點掃描,實現(xiàn)前池點云數(shù)據(jù)的采集工作,并通過Cyclone軟件對已獲取的點云數(shù)據(jù)進行去噪及準確度驗證后獲得準確的原位泵站前池點云數(shù)據(jù)[9-10],如圖1所示。
圖1 原位前池點云數(shù)據(jù)Fig.1 Point cloud data of in-situ forebay
采用HXH03-1S超聲波多普勒測速儀對實際工況下的泵站前池開展現(xiàn)場測流工作,測流時,泵站處于設計工況條件運行,測點選取在距后壁2.0 m、水深1.0 m處,共布置15個測點,泵站結構及測流點位如圖2所示。現(xiàn)場測流結果經(jīng)整理后可用于驗證數(shù)值模型可靠性。
圖2 泵站前池結構及測流點位示意圖Fig.2 Structure of forebay of pumping station and scheme map of flow measurment point
基于計算流體動力學(CFD)理論,采用FLUENT軟件中的Realizablek-ε湍流模型耦合考慮相間滑移的Mixture模型進行泵站前池水沙流場特性數(shù)值模擬,其中對流項選用二階迎風格式進行離散[11-12],體積分數(shù)方程離散格式選擇QUICK格式,采用基于壓力修正法的SIMPLE算法進行流場耦合[13],迭代殘差精度不低于10-3。
選取Mixture模型對前池內部展開固-液兩相流模擬,則Mixture模型控制方程[14]為
(1)
(2)
相對滑移速度為次相(第二項)p對于主相(第一項)q的速度,表達式為
當我們回顧百達翡麗世界時間腕表發(fā)展的歷史進程,會發(fā)現(xiàn)東八區(qū)最初代表城市是北京,而后改為香港并一直沿用至今。2018年5月27日,正逢北京源邸十周年之際,百達翡麗正式宣布“World Time世界時間腕表”系列東八區(qū)代表城市將于2019年正式回歸“北京”。十年,百達翡麗不斷創(chuàng)新,以記錄光陰銘記歲月的方式,同中國消費者共同見證時代的變革與發(fā)展。如今,世界時間腕表東八區(qū)代表城市回歸北京這一宏偉的革命性舉措,無疑是對中國精英階層的獻禮,更是對歷史的回敬。百達翡麗世界時間腕表即將正式進入“北京時間”。
vpq=vp-vq
(3)
則漂移速度與相對速度的關系為
(4)
由次相p的連續(xù)性方程可得次相體積分數(shù)方程為
(5)
式中:P為靜水壓力;ρm為水沙兩相流密度;g為重力加速度;μm為混合流黏滯性系數(shù);F為體積力;vm為兩相流平均流速;ρm為第k相的密度;vdr,k為第k相的漂移速度;αm為第k相的體積分數(shù);vk為第k相的流速;mpq、mqp分別為p相到q相和q相到p相的質量傳遞。
由于前池尺寸及泵站流量已知,則前池進口邊界按速度邊界條件設置,進口流速經(jīng)計算后確定為0.911 m/s;出口水流流動視為全發(fā)展流動,出口邊界選用outflow邊界條件;對固壁邊界,選用無滑移條件作為邊界條件,并通過標準壁面函數(shù)對近壁邊界進行處理;前池自由表面無大范圍波動,故將前池自由表面設為symmetry邊界[15]。將水沙兩項流體設為計算介質,將水設為主相,ρ水=998.2 kg/m3,沙設為次相,ρ沙=2 740 kg/m3。根據(jù)現(xiàn)場調查可知,灌區(qū)引水含沙屬于極細顆粒沙土,將泥沙相視為單一粒徑的均勻沙進行模擬。
逆向工程技術是采用相應的軟件和技術將某一實物通過精確光學儀器掃描獲得的點云數(shù)據(jù)進行處理,并借助一定的三維幾何模型構建方法對該物體的CAD模型進行重構的過程[16]。
通過借助逆向建模軟件Geomagic warp將處理后的原位泵站前池點云數(shù)據(jù)進行曲面修補、重建,獲得原位泵站前池三維幾何模型,通過ICEM軟件進行結構完善,計算域模型如圖3所示。網(wǎng)格劃分中,吸水管道網(wǎng)格類型選用結構化網(wǎng)格,其余部位選用非結構化網(wǎng)格進行劃分[17],以計算域內入口至進水池段的水流水頭損失進行模擬結果網(wǎng)格無關性檢驗,在綜合考慮模擬精度以及經(jīng)濟性問題后確定網(wǎng)格數(shù),共2 286 622個,網(wǎng)格劃分示意圖如圖4所示。
圖3 原位泵站前池計算域模型Fig.3 Computational domain model of in-situ forebay of pumping station
圖4 原位泵站前池網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Mesh division schematic map of in-situ forebay of pumping station
通過模擬得出以設計水位高程為基準的原位泵站前池不同水深特征斷面流速分布矢量圖,如圖5所示。
圖5 原位泵站前池不同水深流速分布矢量圖Fig.5 Velocity distribution map of in-situ forebay of pumping station with water depth
分析圖5(a)可知,泵站原位前池表層水流由于受機組流量布置不均勻及前池內泥沙淤積的影響,整體流速較低,主流有嚴重偏右趨勢且擴散效果較差,前池兩側形成大范圍不對稱旋渦回流區(qū),且旋渦中心接近前池中部區(qū)域,使主流無法流至進水池段;分析圖5(b)(c)可知,中層斷面上,前池兩側所淤積的泥沙已占據(jù)部分過水通道,前池內過水通道明顯變窄,水流流速較表層有所提升,但依舊有嚴重的右偏情況存在,旋渦回流區(qū)面積有所減小并向前池末端轉移,主流可擴散至進水池段;分析圖5(d)可知,泵站進水池深層區(qū)域無流速分布情況顯示,其原因為進水池深層空間已被泥沙完全占據(jù),水流無法通過,故課題組對原位泵站前池內部近底泥沙淤積特性展開了進一步模擬,模擬結果如圖6所示。
圖6 原位前池近底泥沙體積分數(shù)分布Fig.6 Volumetric fraction distribution near the bottom of sediment of in-situ forebay of pumping station
分析圖6可知,原位泵站前池的底層空間和前池兩側的中下層空間已被泥沙淤積體占據(jù),同時,通過對圖5的分析可知,原位泵站前池內的低速旋渦回流區(qū)范圍隨著水深的增加而逐漸減小,由于低流速水流的挾沙能力遠低于高流速水流挾沙能力,故原位泵站前池內深層的泥沙淤積情況較表層相對嚴重。數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場調查結果基本吻合,初步驗證了數(shù)值模型的可靠性。
將模擬結果與現(xiàn)場測流相同點位的流速值進行對比,結果表明,數(shù)值模擬結果各點位流速值與現(xiàn)場實測值吻合度較高。利用平均絕對誤差分析法[18]和均方根誤差分析法[19]對數(shù)值模型模擬結果開展誤差分析,計算結果分別為0.183和0.029,綜合以上分析,本文選用的數(shù)值模型滿足精度要求,可用于進一步的模擬研究。
為研究不同開機組合對原型泵站前池水沙流場特性的影響,共設計4種不同的開機組合方案,其中方案1為設計工況,方案2~4的備用機組分別為2號和7號機組、3號和6號機組以及4號和6號機組。針對原型泵站前池,采用與原位泵站前池相同的網(wǎng)格劃分方案,經(jīng)網(wǎng)格優(yōu)化和無關性驗證后,單元格總數(shù)為2 810 459個。選取水深1.5 m為研究斷面,通過數(shù)值模擬獲取不同開機組合下的流速分布矢量圖及近底泥沙體積分數(shù)分布圖,如圖7、圖8所示。
圖7 不同開機組合下原型泵站前池水流流速分布矢量圖Fig.7 Flow velocity distribution map of in-suit forebay of puming station under different start-up combinations
圖8 不同開機組合下原型泵站前池近底泥沙體積分數(shù)分布Fig.8 Volumetric fraction distribution of sediment near the bottom of in-suit forebay of pumping station under different start-up combinations
由方案1的模擬結果分析可知,泵站前池內流態(tài)較紊亂,流場分布不對稱,主流略微向右偏移,水流流速較低,前池內泥沙大量淤積于前池右側大范圍低速回流區(qū),由于兩端機組未開啟,在進水池兩端泥沙淤積明顯并向進水池中部延伸,且其余機組前的水流方向與吸水管方向均存在一定夾角,嚴重惡化了機組進水條件。
分析方案2、3模擬結果可知,隨著泵站機組逐漸向兩端開啟,流量分布逐漸趨于均衡,前池內主流右偏趨勢有所好轉,流場分布趨于對稱,水流流速有所提升,泥沙淤積明顯區(qū)域依舊在前池內低速旋渦回流區(qū)。與方案1相比,前池及進水池內泥沙淤積強度和范圍以及低速回流區(qū)面積有所減小,主流的擴散效果略有提升,但各機組前的水流與吸水管之間的夾角仍較大,進水條件依舊較差。
分析方案4模擬結果可知,與前3種方案相比,由于只將開啟5號機組作為中間機組,流量分布更加均衡,前池內流態(tài)進一步改善,流場分布對稱性良好,主流無偏移且擴散效果有所提高,泥沙淤積強度和范圍與2、3方案相比略有減小,同時,進水池內水流方向與吸水管道進水方向之間的夾角有所減小,各機組進水條件略有改善。
綜合以上分析,對于原型泵站前池,在設計工況下,前池內部流態(tài)紊亂,存在較嚴重的不良流場,泥沙淤積情況也較嚴重,隨著泵站兩端機組的對稱開啟,前池內流場和流態(tài)均有所改善,泥沙淤積強度和范圍有所減小,但由于低速旋渦回流區(qū)的存在,泥沙淤積問題無法徹底解決。相對于以上4種不同的開機組合方案,方案4從前池流態(tài)以及泥沙分布情況上均表現(xiàn)出一定優(yōu)勢,這一結果對多機組泵站的機組布置設計具有一定的指導意義。
a.利用現(xiàn)場實測及逆向工程技術等方法獲得了原位泵站前池三維幾何模型,并對其進行水沙流場特性數(shù)值模擬,模擬結果與現(xiàn)場調查結果吻合。通過對原位泵站前池模擬結果與現(xiàn)場測流結果進行分析比較,定量驗證了數(shù)值模型在本次研究中的可靠性,表明本文所采用的數(shù)值模型模擬結果可較為準確地模擬泵站前池內的流場。
b.分析不同開機組合方案下進行的原型泵站前池水沙流場特性模擬結果可知,隨著開機運行機組逐漸向兩端布置,整體的流場結構趨于對稱,流態(tài)有微弱改善,主流擴散效果有所提升,泥沙淤積范圍有所減小,結果表明應盡量保持機組對稱開啟且保證開啟兩端機組。
c.對于該典型泵站正向前池,通過改變開機組合的方式雖對原型泵站前池的水沙流場特性具有一定的改善作用,但效果不明顯,可進一步考慮開展前池長度、擴散角、底部縱坡等其他結構因素以及相關工程措施對原型泵站前池水沙流場特性影響的研究。