多機(jī)組泵站正向進(jìn)水陣列式隔板整流模擬及試驗驗證

張校文，劉超*，榮迎春，馮旭松，傅題善，孫玉民

(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. 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司, 江蘇 南京 210000； 3. 南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司, 山東 濟(jì)南 250000； 4. 山東省水利廳, 山東 濟(jì)南 250000)

泵站前池是泵站進(jìn)水建筑物的重要組成部分，前池內(nèi)水流的流態(tài)直接影響泵裝置的性能[1].前池分為正向進(jìn)水前池和側(cè)向進(jìn)水前池，正向進(jìn)水前池的水流方向與進(jìn)水池水流的方向一致，通常認(rèn)為水流在前池內(nèi)擴(kuò)散平緩，流態(tài)良好，無需額外設(shè)置整流措施便可為進(jìn)水池提供良好的流態(tài)，故正向進(jìn)水前池在泵站工程中運(yùn)用較為廣泛.實際上，大多數(shù)正向進(jìn)水泵站的前池，即使在前池擴(kuò)散角不大的情況下，也依然存在著回流和旋渦[2]，同時，采用正向進(jìn)水前池的多為多機(jī)組泵站，多機(jī)組泵站多配有備用機(jī)組，由于備用機(jī)組的存在，泵站常常處于機(jī)組不對稱開啟的運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組的不對稱開啟進(jìn)一步惡化了前池內(nèi)水流的流態(tài)，正向進(jìn)水前池內(nèi)往往存在嚴(yán)重的旋渦和回流，無法為水泵提供理想的進(jìn)水條件.因此，需要針對正向進(jìn)水前池，提出有效的整流措施.

國內(nèi)外學(xué)者針對泵站前池、進(jìn)水池內(nèi)部流態(tài)的研究，已展開了大量的工作[3-9]，提出了底坎、導(dǎo)流墩、立柱、壓水板等不同的整流措施.但在大型多機(jī)組正向進(jìn)水泵站中，流量和空間尺度均較大，目前單一的整流措施整流效果不夠理想[10-14].而對于采用新型整流措施的研究仍較少，研究工作多集中于對已有整流措施布置參數(shù)的優(yōu)化，且研究分析的開機(jī)工況較為單一.

文中以多機(jī)組正向進(jìn)水泵站為研究對象，采用CFD與模型試驗相結(jié)合的手段，對多機(jī)組正向進(jìn)水泵站不同開機(jī)工況下的前池流場進(jìn)行研究，提出一種利用陣列式隔板整流的措施，并評判陣列式隔板整流的效果，以期為多機(jī)組正向進(jìn)水泵站的建設(shè)運(yùn)行提供參考.

1 計算模型及邊界條件

1.1 計算模型參數(shù)

所研究的多機(jī)組泵站進(jìn)水前池為正向擴(kuò)散前池，包括渠道、前池、進(jìn)水池和隔墩.渠道長6 m，前池池長5.6 m，前池擴(kuò)散角為40°，單個進(jìn)水池寬度為1 m，每個進(jìn)水池配備1臺機(jī)組，共布置5臺機(jī)組，依次將機(jī)組編號為1#—5#，其中5#機(jī)組為備用機(jī)組，前池設(shè)計流量為2 m3/s.該多機(jī)組正向進(jìn)水泵站前池三維透視圖如圖1所示.

圖1 多機(jī)組正向進(jìn)水泵站前池三維透視圖

1.2 湍流模型及邊界條件

由于前池流動為復(fù)雜的不可壓縮湍流流動, 且泵站尺寸較大，水流在前池、進(jìn)水池內(nèi)的流動變化較大，在前池、進(jìn)水池內(nèi)常常會發(fā)生回流及水流脫壁的現(xiàn)象，選擇Realizablek-ε湍流模型模擬該流動與實際更為接近[15]，故文中基于Realizablek-ε湍流模型，采用SIMPLC算法耦合壓力和速度，設(shè)置二階求解精度，對前池流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬.取渠道水流進(jìn)口處為進(jìn)口邊界，邊界條件設(shè)置為流量進(jìn)口，流量為2 m3/s，取吸水管出口處為出口邊界，邊界條件設(shè)置為自由出流，壁面均采用無滑移的壁面進(jìn)行處理，對液面采取剛蓋假定, 自由表面設(shè)為對稱邊界條件.

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性檢查

利用ICEM-CFD軟件對計算模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計算模型的網(wǎng)格剖分如圖2所示.以總水力損失作為網(wǎng)格無關(guān)性的評判指標(biāo)，采用式(1)進(jìn)行計算.對計算模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量N大于177萬時，再增加網(wǎng)格數(shù)對總水力損失的影響微小，最終確定網(wǎng)格數(shù)為177萬，圖3為網(wǎng)格無關(guān)性檢查.

圖2 網(wǎng)格劃分圖

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢查

(1)

式中：Δh為水力損失；pout為吸水管出口總壓；pin為渠道水流進(jìn)口總壓；ρ為液體密度；g為重力加速度.

2 前池流態(tài)分析

選取右側(cè)2臺機(jī)組(1#，2#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行、右側(cè)3臺機(jī)組(1#，2#，3#)開機(jī)運(yùn)行、右側(cè)4臺機(jī)組(1#，2#，3#，4#)開機(jī)運(yùn)行作為典型工況，獲得上層(Z=0.9H，其中，Z軸為水深方向，H為前池水深)、中層(Z=0.6H)、底層(Z=0.3H)3個典型斷面的流線及軸向流速v的分布圖如圖4所示.

圖4 4種開機(jī)工況下典型斷面的流線及軸向流速分布圖

由圖4可知，水流在引渠內(nèi)流線平順，經(jīng)渠道流入前池后，水流沿前池向進(jìn)水池擴(kuò)散流動，當(dāng)水流在前池內(nèi)擴(kuò)散流動時，因水流慣性的作用，水流在前池的兩側(cè)產(chǎn)生了脫壁的現(xiàn)象，出現(xiàn)了大尺度的回流，隨著水流的繼續(xù)擴(kuò)散流動，前池兩側(cè)的流態(tài)不斷惡化，在前池兩側(cè)出現(xiàn)了較大的旋渦區(qū)域，回流與旋渦區(qū)幾乎充滿了整個前池，回流與旋渦區(qū)域的惡化壓迫主流，使水流不能充分?jǐn)U散，水流以射流的形式經(jīng)前池流入進(jìn)水池，嚴(yán)重影響了水流在進(jìn)水池內(nèi)的流態(tài).

通過比較上層、中層、底層斷面的流線圖，可以看出，上層至底層回流區(qū)域的范圍不斷增大，回流區(qū)域的中心有向進(jìn)水池移動的趨勢.當(dāng)機(jī)組不對稱開啟時，前池內(nèi)未開機(jī)側(cè)的回流與旋渦范圍大于開機(jī)側(cè)，且該現(xiàn)象隨著兩側(cè)機(jī)組開啟差異的增大而愈發(fā)明顯，在右側(cè)2臺機(jī)組(1#，2#機(jī)組)、右側(cè)3臺機(jī)組(1#，2#，3#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行的工況下，前池內(nèi)開機(jī)側(cè)的回流與旋渦范圍已明顯小于未開機(jī)側(cè)，主流受到的壓迫也主要來自未開機(jī)側(cè)的回流與旋渦區(qū).

選取靠近泵站前池出口斷面的流速均勻度來評價水流進(jìn)水的流態(tài)，同時也可定量地評判整流措施的效果，其計算公式如式(2)所示.

(2)

計算流速均勻度所取截面的寬度與前池水深相同，截面長度隨開機(jī)機(jī)組的數(shù)量相應(yīng)調(diào)整，右側(cè)4臺機(jī)組(1#，2#，3#，4#機(jī)組)開啟時該所取截面如圖5所示.

圖5 計算流速均勻度所取斷面示意圖

針對整流前的前池流態(tài)，計算其靠近前池出口斷面的流速均勻度，如表1所示.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)組不對稱開啟，一側(cè)開機(jī)臺數(shù)逐漸增大時，前池靠近出口斷面的流速均勻度逐漸降低，主流受到兩側(cè)回流與旋渦區(qū)域的壓迫越來越嚴(yán)重，水流進(jìn)入進(jìn)水池的流態(tài)也越來越差.

表1 前池出口斷面流速均勻度

3 陣列式隔板整流

文中提出一種利用陣列式隔板整流的措施.2排陣列式隔板布置于前池內(nèi)，前排陣列式隔板長1.4 m,后排陣列式隔板長1.1 m，陣列式隔板的厚度為0.03 m，高度與前池水深相同，2排陣列式隔板與隔墩一一對應(yīng).其中以靠近前池入口的一排隔板為前排隔板，遠(yuǎn)離前池入口的一排隔板為后排隔板.布置陣列式隔板后的計算模型如圖6所示.

圖6 整流后計算模型示意圖

4 整流后前池流態(tài)分析

4.1 右側(cè)2臺機(jī)組(1#，2#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行

當(dāng)右側(cè)2臺機(jī)組(1#，2#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行時，截取此時前池上層、中層、底層3個典型斷面的流線及軸向流速分布圖，如圖7所示.當(dāng)1#，2#機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，前池內(nèi)開機(jī)側(cè)的回流與旋渦區(qū)域已完全消失，布置陣列式隔板后，前池水流擴(kuò)散角度減小，在前池內(nèi)擴(kuò)散平緩，流態(tài)良好，主流受到旋渦與回流區(qū)域壓迫的現(xiàn)象消失，水流沿隔板以正向的形式流入進(jìn)水池，1#，2#機(jī)組進(jìn)水環(huán)境良好，完全未受到回流與旋渦區(qū)的影響.從典型斷面的軸向流速分布圖可以看出，經(jīng)陣列式隔板整流后，前池開機(jī)側(cè)上層和中層小范圍的負(fù)流速消失，水流軸向流速分布較均勻.

圖7 優(yōu)化后1#，2#機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時典型斷面的流線及軸向流速分布圖

針對整流后的前池流態(tài)，選取相同的流速均勻度計算截面，計算其斷面流速均勻度.當(dāng)1#，2#機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，整流后的前池斷面流速均勻度為63.17%，較整流前提高5.78%.

4.2 右側(cè)3臺機(jī)組(1#，2#，3#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行

當(dāng)右側(cè)3臺機(jī)組(1#，2#，3#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行時，截取此時前池上層、中層、底層3個典型斷面的流線及軸向流速分布圖，如圖8所示.當(dāng)1#，2#，3#機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，水流受到陣列式隔板的作用，在前池內(nèi)的流動擴(kuò)散角度減小，入流擴(kuò)散平緩，1#，2#，3#運(yùn)行機(jī)組對應(yīng)的前池內(nèi)水流流線平順，流態(tài)良好，水流以正向的形式進(jìn)入進(jìn)水池，前池內(nèi)開機(jī)側(cè)的旋渦與回流區(qū)域轉(zhuǎn)移到了未開機(jī)一側(cè)，完全未影響到開機(jī)運(yùn)行機(jī)組的進(jìn)水環(huán)境.從典型斷面的軸向流速分布圖可以看出，由于開機(jī)側(cè)的回流與旋渦區(qū)的轉(zhuǎn)移，前池開機(jī)側(cè)較大范圍的負(fù)流速消失.

圖8 優(yōu)化后1#，2#，3#機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時典型斷面的流線及軸向流速分布圖

針對整流后的前池流態(tài)，計算該開機(jī)工況下的斷面流速均勻度.當(dāng)1#，2#，3#機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，整流后的前池斷面流速均勻度為61.81%，較整流前提高5.47%.

4.3 右側(cè)4臺機(jī)組(1#，2#，3#，4#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行

當(dāng)右側(cè)4臺機(jī)組(1#，2#，3#，4#機(jī)組)開機(jī)運(yùn)行時，截取此時前池上層、中層、底層3個典型斷面的流線及軸向流速分布圖，如圖9所示.當(dāng)1#，2#，3#，4#機(jī)組開啟運(yùn)行時，1#，2#，3#運(yùn)行機(jī)組對應(yīng)的前池內(nèi)水流流線平順，流態(tài)良好，水流以正向的形式進(jìn)入進(jìn)水池.前池兩側(cè)大范圍的回流及旋渦區(qū)域進(jìn)行了重新分布，原來分布于前池兩側(cè)的回流與旋渦區(qū)域轉(zhuǎn)移到前池左側(cè)一側(cè)，轉(zhuǎn)移后的左側(cè)回流與旋渦區(qū)域較小，且集中在未開機(jī)運(yùn)行的5#備用機(jī)組對應(yīng)的前池區(qū)域，基本未影響到左側(cè)開機(jī)運(yùn)行的4#機(jī)組的進(jìn)水環(huán)境.

圖9 優(yōu)化后1#,2#,3#,4#機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時典型斷面的流線及軸向流速分布圖

選取相同的流速均勻度計算截面，得到該開機(jī)工況下的斷面流速均勻度.整流后的前池斷面流速均勻度為47.23%，較整流前提高8.81%.在該開機(jī)工況下，可以觀察到前池內(nèi)右側(cè)底層仍存在較小范圍的回流區(qū)，但1#，2#機(jī)組進(jìn)水環(huán)境受右側(cè)回流與旋渦區(qū)的影響較整流前明顯減弱.

5 試驗驗證

5.1 試驗裝置

為了進(jìn)一步驗證陣列式隔板的整流效果，采用1∶10的比例尺搭建了模型裝置試驗臺.模型裝置試驗臺包括引渠、正向進(jìn)水前池、進(jìn)水池、隔墩、虹吸管、輔助泵、管道，采用輔助泵進(jìn)行試驗裝置水的循環(huán).試驗的流速測量采用的流速儀為LGY-Ⅱ型智能流速儀，流速儀測量精度為±2%.試驗中在前池水面撒入示蹤粒子，對示蹤粒子反映的前池內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行觀測.

圖10 模型裝置試驗臺

5.2 試驗結(jié)果

根據(jù)模型試驗觀測的示蹤粒子軌跡繪制前池流線圖,如圖11所示.圖12為各測點軸向速度的數(shù)值計算結(jié)果和試驗測量換算結(jié)果，其中，測線Y軸方向的坐標(biāo)值為圖中的橫坐標(biāo).試驗結(jié)果表明：多機(jī)組正向進(jìn)水前池流態(tài)較差，前池內(nèi)存在大范圍的旋渦和回流，未開機(jī)側(cè)旋渦和回流區(qū)明顯大于開機(jī)側(cè)，兩側(cè)的旋渦和回流區(qū)域嚴(yán)重壓迫主流.布置陣列式隔板整流后，前池內(nèi)旋渦與回流區(qū)明顯減小，前池內(nèi)開機(jī)側(cè)的旋渦與回流區(qū)域轉(zhuǎn)移到了未開機(jī)一側(cè)，水泵進(jìn)水條件得到改善.前池內(nèi)示蹤粒子軌跡反映的前池流態(tài)與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合.

圖11 根據(jù)模型試驗觀測繪制的前池流線圖

圖12 測點數(shù)值計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果

試驗中選取與數(shù)值計算模型相同的流速均勻度計算截面，在該截面上取Z=0.9H,Z=0.6H,Z=0.3H布置3條測線line1,line2,line3，每條測線布置15個測點，對45個測點進(jìn)行流速測量，試驗測量的流速按照比例尺進(jìn)行換算，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析.

由圖12可以看出，各測點軸向速度數(shù)值計算結(jié)果與試驗測量換算結(jié)果整體趨勢基本吻合，具體數(shù)值有一定差異；布置陣列式隔板整流后，各測點流速分布較為均勻，隔板處附近對應(yīng)的個別測點因受陣列式隔板的滯水影響，軸向流速較低；圖12b試驗中布置陣列式隔板整流后，3條測線上所有測點均為正值，表明布置陣列式隔板整流后，開機(jī)機(jī)組對應(yīng)的前池區(qū)域回流得到了轉(zhuǎn)移、減小.

5.3 誤差分析

針對試驗測量結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果，引入相對誤差Er與標(biāo)準(zhǔn)差Es這2個特征量，進(jìn)行誤差分析.試驗測量與數(shù)值計算的相對誤差及標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示.由表可知，試驗測量結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的相對誤差基本都在5.00%以內(nèi)，最大相對誤差僅為7.87%.

表2 軸向速度試驗測量結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果誤差分析

6 結(jié) 論

1) 泵站前池兩側(cè)存在著較大的回流與旋渦區(qū)域，當(dāng)機(jī)組不對稱，前池內(nèi)未開機(jī)側(cè)的回流與旋渦區(qū)域面積大于開機(jī)側(cè)，隨著兩側(cè)機(jī)組開啟差異程度的增大，該現(xiàn)象愈發(fā)明顯，且主流受到的壓迫也由來自兩側(cè)的回流與旋渦區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閬碜晕撮_機(jī)一側(cè)的回流與旋渦區(qū).不同開機(jī)工況下的水泵進(jìn)水條件均需改善.

2) 利用陣列式隔板整流后，前池內(nèi)未開機(jī)運(yùn)行一側(cè)的旋渦和回流區(qū)域明顯減小，開機(jī)側(cè)的回流與旋渦區(qū)域已完全消失，主流受到的壓迫顯著減弱.當(dāng)右側(cè)2臺機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，前池斷面流速均勻度為63.17%，較整流前提高5.78%;當(dāng)右側(cè)3臺機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，斷面流速均勻度為61.81%，較整流前提高5.47%;當(dāng)右側(cè)4臺機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，斷面流速均勻度為47.23%，較整流前提高8.81%.

3) 經(jīng)試驗測量的數(shù)據(jù)表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，得到了試驗的驗證.