側(cè)向泵站進(jìn)水前池流態(tài)數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化

王 琪，朱文辰，周濟(jì)人，楊 帆

（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)江蘇項(xiàng)目管理有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

泵站的進(jìn)水建筑物主要由前池和進(jìn)水池等組成。進(jìn)水建筑物的合理選址和優(yōu)越的水力設(shè)計(jì)可以提高水泵的運(yùn)行性能及保證整個(gè)泵站的穩(wěn)定運(yùn)行。泵站進(jìn)水依據(jù)前池與進(jìn)水池的位置分為正向、側(cè)向進(jìn)水兩種。正向進(jìn)水前池的水流與進(jìn)水池水流的方向大致相同，水流相對(duì)較為平順且設(shè)計(jì)施工方便；側(cè)向進(jìn)水前池的水流與進(jìn)水池水流存在一定的角度，易發(fā)生回流、導(dǎo)致斷面流速分布不均勻。受限于地理?xiàng)l件以及其他相關(guān)因素，當(dāng)正向進(jìn)水無(wú)法布置時(shí)，會(huì)采用更為緊湊的側(cè)向進(jìn)水。且為了改善進(jìn)水建筑物可能出現(xiàn)的不良流態(tài)，工程上一般采用修建導(dǎo)流柱［1］、導(dǎo)流墩［2］、導(dǎo)流墻［3］、導(dǎo)流板［4］、設(shè)置底坎［5］、設(shè)置壓水板、水平消渦梁等整流措施。

本文對(duì)某泵站進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究，查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)該泵站的前池兼顧通航要求，且日常運(yùn)行水位高于進(jìn)水池進(jìn)口。故考慮到地形等限制，采用側(cè)向進(jìn)水形式，泵站位于船閘的一側(cè)，側(cè)向進(jìn)水導(dǎo)致前池與進(jìn)水池中心軸線大致呈直角，易造成主流形成脫壁繞流及產(chǎn)生較大旋渦，在進(jìn)水池內(nèi)形成豎直、水平兩個(gè)維度流態(tài)不均現(xiàn)象。為了研究泵站日常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)水池內(nèi)可能產(chǎn)生的不良流態(tài)，借助相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)現(xiàn)有泵站進(jìn)行三維建模并采用數(shù)值計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到進(jìn)水池內(nèi)的相關(guān)斷面流速云圖及流速不均勻系數(shù)，分析并提出相關(guān)的整流方案，將各個(gè)方案得出的流線云圖及流速不均勻系數(shù)進(jìn)行對(duì)比、分析和總結(jié)，最后選取整流效果相對(duì)較好的方案。

1 泵站計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

使用計(jì)算機(jī)建模軟件對(duì)泵站進(jìn)行三維建模，泵站進(jìn)水建筑物平面布置圖、進(jìn)水建筑物詳圖示于圖1。

圖1 泵站進(jìn)水建筑物三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of the water intake structure of the pumping station

泵站前池內(nèi)及進(jìn)水池內(nèi)流動(dòng)為高雷諾數(shù)［6］、不可壓縮的三維紊流流動(dòng)?；谒鳛槌浞职l(fā)生的紊流，故本文使用的計(jì)算方法為雷諾平均法［7］和有限體積法，紊流模型［8］則選用Standardk-ε模型。

1.2 邊界條件設(shè)定

數(shù)值計(jì)算時(shí)，邊界條件的設(shè)定會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度和可信度，故以泵站設(shè)計(jì)參數(shù)作為設(shè)定依據(jù)，邊界條件的具體設(shè)定如下：創(chuàng)建前池距離進(jìn)水池100 m處斷面作為進(jìn)口邊界，設(shè)置為質(zhì)量流且強(qiáng)度為5%［9］；選擇水泵所有出水口斷面為出口邊界，設(shè)定為平均靜壓，壓力值為1 atm［10］；選擇整個(gè)建筑物的所有邊壁面及底面作為墻面，設(shè)定為無(wú)滑移壁面［11］；選擇前池和進(jìn)水池水面作為自由液面且計(jì)算時(shí)不考慮水面剪切力［12，13］。

1.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性分析

基于此泵站的進(jìn)水池采用側(cè)向布置形式，各構(gòu)件繁雜，因在軟件ANSYS Mesh 中采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)三維模型進(jìn)行劃分，三維模型網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。網(wǎng)格的數(shù)量及質(zhì)量會(huì)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，在保證三維模型精度和減少計(jì)算量的要求下，則需對(duì)其進(jìn)行無(wú)關(guān)性分析。以前池距進(jìn)水池100 m處和水泵出水口處為特征參數(shù)計(jì)算不同網(wǎng)格數(shù)下的水力損失［14］：

圖2 三維模型網(wǎng)格圖Fig.2 Three-dimensional model grid

式中：hf為水力損失；Pin為進(jìn)口處總壓強(qiáng)；Pout為出口處總壓強(qiáng)；ρ為水在4 ℃下的密度；g為重力加速度。

不同網(wǎng)格數(shù)及其對(duì)應(yīng)的水力損失結(jié)果見(jiàn)表1和圖3。

表1 水力損失計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of hydraulic loss

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下的水力損失Fig.3 Hydraulic loss under different grid numbers

由圖3 可見(jiàn)：水力損失隨著網(wǎng)格數(shù)的大幅度增加而逐漸減少，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到860萬(wàn)左右并繼續(xù)增加后，水力損失計(jì)算值趨于穩(wěn)定，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，所以本次計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量確定為860萬(wàn)。

2 特征斷面和評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 特征斷面選取

本次計(jì)算共選取在距離進(jìn)水池出口8.0 m 處作為1 個(gè)豎直剖面，X軸對(duì)應(yīng)坐標(biāo)為X=21.0 m；選取水平方向的面層、中層和底層3 個(gè)特征斷面作為3 個(gè)水平剖面，Z軸坐標(biāo)分別為Z1=4.2 m，Z2=2.25 m，Z3=0.80 m。通過(guò)剖面的流速云圖來(lái)分析進(jìn)水池內(nèi)的水流流態(tài)，豎直、水平剖面位置示于圖1（b）。

2.2 流速不均勻系數(shù)

軸向流速分布不均勻系數(shù)Pu是用于定量反映豎直特征斷面的軸向流速分布不均勻程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，按下式計(jì)算［15］：

式中：Pu為斷面軸向流速不均勻系數(shù)；Vai為斷面各節(jié)點(diǎn)的軸向流速，m/s；Va為斷面平均軸向速度，m/s；n為斷面計(jì)算總單元數(shù)。

軸向流速分布不均勻系數(shù)越小表示斷面流速分布越均勻。

3 原始方案下進(jìn)水池的數(shù)值計(jì)算及分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算與圖形軟件處理，得到各個(gè)進(jìn)水池3 個(gè)水平維度的流線圖，同時(shí)選取豎直特征斷面計(jì)算相關(guān)流速不均勻系數(shù)，綜合兩方面來(lái)分析進(jìn)水池內(nèi)的水流流態(tài)狀況。原始方案結(jié)果示于圖4。

由圖4可見(jiàn)：由于進(jìn)水池存在擋水板的原因，且出口所處位置低于面層所在水位，導(dǎo)致面層部分水流被阻擋，面層出現(xiàn)了較大范圍的低流速區(qū)。中層流線圖可知，1～5 號(hào)進(jìn)水池均有一定程度的偏流現(xiàn)象，其中1～4號(hào)進(jìn)水池左側(cè)壁流速相較高，水流繞過(guò)水泵后繼續(xù)保持高速流動(dòng)，并向右邊壁處形成逆流，造成進(jìn)水池內(nèi)大范圍旋渦，對(duì)水泵的吸水造成了較大的影響。通過(guò)底層流線圖可知，除了5 號(hào)進(jìn)水池在前池受兩側(cè)相向水流的影響下流態(tài)較為平穩(wěn)，其余4個(gè)進(jìn)水池均產(chǎn)生了不同程度的偏流，其中1 號(hào)進(jìn)水池最為嚴(yán)重，并在進(jìn)水池右邊壁形成小范圍低壓區(qū)及旋渦。

圖4 原始方案下面層、中層、底層流線圖Fig.4 Streamline diagram of the lower，middle，and bottom layers of the original plan

綜合3 個(gè)斷面流線圖可知，1 號(hào)和2 號(hào)進(jìn)水池流態(tài)相對(duì)較差，這與現(xiàn)場(chǎng)泵站實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的情況相似。5 個(gè)進(jìn)水池中的靠近水泵出水口豎直維度特征斷面速度云圖見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)水池特征斷面流速云圖Fig.5 Flow velocity cloud diagram of the characteristic section of the inlet tank

經(jīng)流速云圖可知，5號(hào)進(jìn)水池流速分布較為均勻，由于擋水板的存在，導(dǎo)致面層流速較低，底層的流速均相對(duì)較高，導(dǎo)致面層與底層存在流速差，但整體流速呈適中；2、3、4 號(hào)3 個(gè)進(jìn)水池中高流速或低流速區(qū)都處于一側(cè)，斷面的流速分布不均勻；1號(hào)進(jìn)水池的右側(cè)產(chǎn)生了較大范圍的高流速區(qū)，問(wèn)題最為嚴(yán)重，底層高速流速區(qū)翻向面層低速流速區(qū)，形成螺旋流，整體流速分布不均，影響水泵的進(jìn)水條件。

各進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俨痪鶆蛳禂?shù)及對(duì)比圖見(jiàn)表2。

由表2 可知：1～4 號(hào)4 個(gè)進(jìn)水池的流速不均勻系數(shù)依次減小，可得4 個(gè)進(jìn)水池內(nèi)水流流速狀況隨著單側(cè)向進(jìn)水拐彎半徑的增加而趨于穩(wěn)定；5號(hào)進(jìn)水池在雙向來(lái)流的作用下，流速不均勻系數(shù)小幅度增大。

表2 各進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俨痪鶆蛳禂?shù)Tab.2 Coefficient of uneven flow velocity of each inlet pool section

4 相關(guān)整流措施下進(jìn)水池的數(shù)值計(jì)算及分析

4.1 整流方案的設(shè)計(jì)

為了改善各個(gè)進(jìn)水池內(nèi)的不良流態(tài)問(wèn)題，考慮采取相關(guān)的整流措施?？紤]到實(shí)際情況，泵站的前池兼顧著通航作用，故不能在前池中設(shè)置相關(guān)整流措施，在最終實(shí)際施工與整體結(jié)構(gòu)安全情況下，初擬在五個(gè)進(jìn)水池與前池交界處處布置不同組合的導(dǎo)流柵來(lái)改善進(jìn)水池內(nèi)的不良流態(tài)，以提高水泵效率及保證水泵組安全運(yùn)行。

從導(dǎo)流柵格柵的數(shù)量、單格柵寬度和格柵間距離出發(fā)設(shè)計(jì)，限定整體格柵高度與厚度，各方案詳情見(jiàn)表3和圖6。

圖6 4種導(dǎo)流柵整流方案布置圖（單位：cm）Fig.6 Layout of four diversion grid rectification schemes

表3 各導(dǎo)流柵整流方案布置詳情Tab.3 Details of the layout of each diversion grid rectification scheme

4.2 各整流方案的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

導(dǎo)流柵各整流方案的數(shù)值計(jì)算流線圖及流速不均勻系數(shù)的計(jì)算結(jié)果分別示于圖7和表4。

表4 各方案特征斷面流速不均勻系數(shù)Tab.4 The coefficient of uneven flow velocity at the characteristic section of each scheme

圖7 4種導(dǎo)流柵整流方案水平剖面流線圖Fig.7 The horizontal cross-section streamline diagram of four flow-guide grid rectification schemes

對(duì)比原始方案與各個(gè)整流方案的流線圖和流速不均勻系數(shù)可知，各個(gè)進(jìn)水池中的不良流態(tài)有一定程度的改善且流速不均勻系數(shù)也均有不同程度的減小。對(duì)比各個(gè)面層的流速圖可知，導(dǎo)流柵的增設(shè)對(duì)改善進(jìn)水池內(nèi)兩邊流速差較大問(wèn)題有一定成效，同時(shí)縮小了各個(gè)進(jìn)水池內(nèi)面層的大范圍回流區(qū)。

考慮到導(dǎo)流柵的主要作用是改善流束偏斜問(wèn)題，故中層流態(tài)比面層流態(tài)改善效果更佳，1～4 號(hào)進(jìn)水池由于偏流產(chǎn)生的右邊壁旋渦區(qū)域明顯變小。在設(shè)置導(dǎo)流柵后，在導(dǎo)流柵作用下使前池中水流可以提前偏轉(zhuǎn)流入進(jìn)水池。受限于導(dǎo)流柵相對(duì)進(jìn)水池總長(zhǎng)度較短，水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流柵整流后還存在一定偏角，導(dǎo)致右邊壁的低壓區(qū)范圍有所增大，改善了原本水泵進(jìn)水喇叭口的旋渦情況，但水泵喇叭口附近低壓區(qū)范圍的增大依舊影響水泵的進(jìn)水。對(duì)底層流態(tài)改善主要消除了原方案1號(hào)進(jìn)水池內(nèi)的旋渦及底層流速分布更均勻，且2～3 號(hào)進(jìn)水池中的低壓區(qū)范圍有所縮小。

4.3 各整流方案的效果綜合分析

（1）導(dǎo)流柵格柵數(shù)量對(duì)整流效果的影響：通過(guò)初步的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得導(dǎo)流柵對(duì)改善側(cè)向泵站的進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)有一定作用，但實(shí)際工程側(cè)向進(jìn)水轉(zhuǎn)角過(guò)大，2 個(gè)格柵的效果不明顯。故方案2 將五個(gè)進(jìn)水池進(jìn)口處的導(dǎo)流柵格柵的數(shù)量改為3 個(gè)，格柵尺寸保持不變且格柵相鄰間距相等。通過(guò)結(jié)果可知，水流通過(guò)導(dǎo)流柵可以較為平順的進(jìn)入進(jìn)水池，緩解原本存在于進(jìn)水池內(nèi)的水流偏流問(wèn)題；中層的旋渦范圍也明顯減少。結(jié)合實(shí)際需要考慮，若一味增加格柵數(shù)量會(huì)影響進(jìn)水池內(nèi)的流量，因此根據(jù)前兩個(gè)方案中的各個(gè)進(jìn)水內(nèi)的流速不均勻系數(shù)的變化，增設(shè)方案3 為“3+2”型組合布置形式。通過(guò)對(duì)比方案3 與方案2，減少了3 號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口處的格柵數(shù)量導(dǎo)致增大了中層的旋渦區(qū)，但各個(gè)進(jìn)水池內(nèi)的流速不均勻系數(shù)平均值相繼減小，整體流態(tài)得到較大改善。

（2）導(dǎo)流柵格柵寬度對(duì)整流效果的影響：在方案3 基礎(chǔ)上，考慮繼續(xù)減小格柵的寬度。在設(shè)計(jì)與施工條件符合規(guī)范下，方案4 減小格柵的寬度，即在方案3 的基礎(chǔ)上，只將格柵寬度縮短至0.1 m，其他相關(guān)參數(shù)保持不變。通過(guò)方案4的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，減小了單個(gè)格柵的寬度可以讓水流更好流入進(jìn)水池，各層的流態(tài)也趨于平穩(wěn)，各個(gè)進(jìn)水池內(nèi)的流速不均勻系數(shù)均小幅下降，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。

由圖8 分析可知：相比原方案，各個(gè)整流方案下的5 個(gè)進(jìn)水池內(nèi)的流速不均勻系數(shù)均有所下降。對(duì)比方案1～4，各進(jìn)水池流速不均勻系數(shù)最低點(diǎn)都來(lái)自方案4，由此可知方案4 的整流效果相對(duì)較好。

圖8 流速不均勻系數(shù)變化圖Fig.8 Variation graph of flow rate non-uniformity coefficient

5 結(jié)語(yǔ)

（1）側(cè)向泵站水流受慣性作用流入進(jìn)水池會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生不同的程度的偏流、旋渦和水流脫壁等不良流態(tài)。

（2）在進(jìn)水池口增設(shè)導(dǎo)流柵整流措施后，改變了水流流速及轉(zhuǎn)角，能夠一定程度改善各個(gè)進(jìn)水池內(nèi)的各層水流流態(tài)，即相較原方案將面層大面積的回流區(qū)轉(zhuǎn)為小面積的旋渦，并緩解了中層的水流回流程度和大致消除了底層旋渦及邊壁低速區(qū)，使各層流線更加順直，起到較好的整流效果。

（3）綜合流線圖及流速不均勻系數(shù)結(jié)果表明：在1～2號(hào)進(jìn)水池布置3 格柵，3～5 號(hào)進(jìn)水池布置2 格柵，單格柵寬度取0.1 m，可以取得最佳的整流效果。該研究結(jié)果可為類似泵站工程前池流態(tài)改善提供一定參考價(jià)值。