梯級泵站側(cè)向進水池整流消能數(shù)值模擬研究

劉俊華 王梅芳

摘要：為了研究遠距離管道輸水工程中梯級泵站側(cè)向進水池流態(tài)穩(wěn)定問題，基于雷諾時均N-S方程，采用標準k-ε湍流模型和流體體積法（VOF）對無措施、消能墩、擋水墻和導流孔4種方案進行整流消能數(shù)值模擬研究，對比了4種方案的流線特性、流速矢量和漩渦特性。結(jié)果表明：側(cè)向進水池的進水槽尾部高速水流進入泵站進水池容易形成較大漩渦。消能墩和擋水墻方案降低了進水槽內(nèi)水流速度，但效果不明顯，進水池內(nèi)仍形成漩渦。導流孔方案使水流在進水槽內(nèi)紊流消能，再通過導流孔平穩(wěn)進入泵站進水池，進水池內(nèi)水流速度接近零，整流消能效果顯著。研究成果可為梯級泵站側(cè)向進水池的整流消能提供技術支撐。

關鍵詞：整流消能；流體體積法；梯級泵站；導流孔；側(cè)向進水池；漩渦

中圖法分類號：TV222.2 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.016

文章編號：1006-0081（2024）02-0099-05

0 引 言

進水池是泵站的重要組成部分，泵站機組吸水管從進水池穩(wěn)定均勻取水，以保證機組的安全、穩(wěn)定、高效運行。然而，進水池內(nèi)流態(tài)紊亂和漩渦會導致空化、振動和葉片負載過大等問題，直接影響泵站的運行效率和安全。因此，泵站進水池整流消能是泵站設計的關鍵。

近年來，國內(nèi)外對泵站進水池流態(tài)和VOF氣-液兩相流模型進行了研究，不少學者對軸流泵進水池內(nèi)水流流動特性進行研究，并提出一些整流措施。馬凌騰等運用VOF方法的自由液面對低揚程軸流泵影響進行研究，結(jié)果表明：實際運行中，重力因素和自由液面的存在對大型低揚程泵裝置影響較大。李明等利用數(shù)值模擬方法對泵站進水池內(nèi)部流動特性進行研究，分析了水池內(nèi)流速對渦量的影響。何耘對進水池旋渦的水力模型相似性、PIV現(xiàn)代量測技術的應用及數(shù)值模擬的最新研究進展進行了綜述。叢國輝等對湍流模型在泵站進水池漩渦模擬中的適用性進行研究，研究表明k-ε模型對進水池表面渦、附底渦和附壁渦的位置和形狀預測比較準確，對漩渦的切線速度和環(huán)量的預測也與試驗值更為接近。Constantinescu、Rajendran等采用標準k-ε模型對泵站進水池模型內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬，研究了進水池內(nèi)各種漩渦的產(chǎn)生情況。馬濤、孔德謙、常鵬程、王勇等采用數(shù)值模擬方法對軸流泵進水池流態(tài)進行數(shù)值模擬，并提出適用的整流措施。這些研究大多針對正向進水池，前端銜接明渠、河道和箱涵等無壓建筑物，布置空間較大。而對于高原山區(qū)遠距離管道輸水工程梯級泵站側(cè)向進水池內(nèi)的流動研究較少，此類進水池受空間限制，只能布置成側(cè)向進水，且水池尺寸較小，容易形成漩渦，影響水泵機組的運行。因此，有必要對梯級泵站側(cè)向進水池內(nèi)的流動特性進行研究，并提出適用于工程的整流措施。

本文以遠距離管道輸水工程中敞開式泵站側(cè)向進水池為研究對象，采用雷諾時均N-S方程，標準k-ε湍流模型和流體體積法對無措施、消能墩、擋水墻和導流孔4種方案分別進行數(shù)值模擬研究，根據(jù)模型計算結(jié)果對比分析得到較優(yōu)的整流措施，為側(cè)向進水池的整流消能設計提供技術支撐。

1 工程概況

大中河二級泵站位于云南省普洱市，根據(jù)工程整體運行布置，二級泵站進水池的布置位置和空間受限，泵站進水池型式只能為側(cè)向進水，水池內(nèi)流態(tài)不能充分擴散，易形成漩渦，影響機組運行。

二級泵站進水池進水槽連接一級泵站提水管，設計流量Q=5 m/s，管道直徑D=1.6 m；泵站布置4臺機組，單臺水泵的設計流量為1.25 m/s，吸水管設計直徑D=1.0 m，側(cè)向進水池尺寸為42.82 m×8.50 m×6.00 m（長×寬×高），水池設計正常水深H=5.0 m，大中河二級泵站側(cè)向進水池平面布置如圖1所示。

2 研究方法

本文采用VOF多相流模型和標準k-ε湍流模型，對4種方案進行整流消能數(shù)值模擬研究。

連續(xù)方程：

動量方程：

湍動能k方程：

耗散率ε方程：

上式中：t為時間；μ，μ為速度分量；x和x為坐標分量；v為動力黏性系數(shù)；ρ為水-氣兩相交界面流體密度；v為湍流黏性系數(shù)；p為壓力值；f為質(zhì)量力；C為平均速度產(chǎn)生的紊動能；C，C為模型常數(shù)，分別取1.32，1.85；σ，σ為湍流Prandtl數(shù)，分別取1.0，1.2。

3 數(shù)值模擬

本文主要對4種方案進行整流消能數(shù)值模擬研究，方案特性如表1所示。為保證計算結(jié)果對比分析的可靠性，各方案計算模型僅整流消能措施不同，邊界條件、網(wǎng)格尺寸和求解器參數(shù)設置保持一致。

3.1 模型簡化及邊界條件

3.1.1 模型簡化

二級泵站側(cè)向進水池進水端為一級泵站提水管，出水端連接泵站機組的4條吸水管。

本文主要研究水池內(nèi)水流流動特性，將一級泵站提水管簡化為長5 m的管道，出水端僅對進水池至水泵機組進口的吸水管部分進行建模。將計算域按重力相似準則進行建模，幾何比尺為1∶10。根據(jù)重力相似準則推導求得各項比尺參數(shù)如下：幾何比尺L=10，流速比尺V=L=3.16，流量比尺Q=L=316.23。各方案簡化模型如圖2～5所示。

3.1.2 邊界條件

4種方案模型的邊界條件一致，僅改變流體域內(nèi)的整流措施。側(cè)向進水池進口邊界條件為質(zhì)量流量進口，相對靜壓為0，水相占比為100%。每個吸水管出口邊界為速度出口，速度方向與吸水管軸向一致，給定水流為勻速流動，水相占比為100%。水池頂部為壓力出口邊界，相對靜壓為0，氣相占比為100%。固體壁面設置為無滑移邊界，不考慮固體壁面的粗糙度。計算域邊界條件如表2所示。

3.2 網(wǎng)格劃分及模型驗證

本文使用CFD軟件多面體網(wǎng)格生成器對目標體進行網(wǎng)格劃分，具有較高的網(wǎng)格質(zhì)量。而且，多面體網(wǎng)格同時具有六面體網(wǎng)格的精確度和四面體網(wǎng)格的易生成性，以及比四面體網(wǎng)格更好的收斂性和更小的網(wǎng)格依賴性，大大降低硬件資源的要求和計算時間。

泵組吸水管喇叭口處需要切割出管道壁厚度，該位置間隙狹小需要進行網(wǎng)格加密。為保證計算結(jié)果的準確性，在不同網(wǎng)格數(shù)量下計算無整流措施方案的效率，并監(jiān)測湍動能和湍流耗散率等參數(shù)的殘差曲線。當網(wǎng)格數(shù)量較少時，隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，計算效率逐漸增加，殘差曲線朝更小的數(shù)值收斂（表3）。當網(wǎng)格數(shù)量接近280萬個時，計算效率接近，差值不超過1%，同時所有殘差曲線均小于1×10。

最終選定計算域基礎網(wǎng)格尺寸均為0.01 m，通過多面體網(wǎng)格劃分后，計算域的網(wǎng)格質(zhì)量較好，最終生成的計算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)量為285萬個，多面體網(wǎng)格劃分如圖6～7所示。

3.3 結(jié)果分析

通過流場內(nèi)流線分布、漩渦、流速矢量及其均勻度指標判定整流效果。當流場內(nèi)水相流線分布均勻、漩渦較少和流速較小時，即達到整流目的，能有效增加機組運行時的安全性、穩(wěn)定性和高效性。

3.3.1 流場內(nèi)流線分布

根據(jù)VOF模型氣-液兩相流的特點，繪制計算域內(nèi)水相百分比大于50%部分的流線。圖8為進水池無整流措施方案的流線矢量圖。圖8中，水流翻過進水槽在泵站進水池內(nèi)形成兩個漩渦，分別位于2號和3號機組進水管上部，進水池內(nèi)流線速度較大且紊亂。圖9為進水槽內(nèi)布置消能墩方案的流線矢量圖，相比無整流措施方案，水池內(nèi)流態(tài)得到一定改善，但水流翻過進水槽，泵站進水池內(nèi)仍在3號機組吸水管上方仍形成一個漩渦，進水池內(nèi)流線速度較大且紊亂。圖10為進水槽內(nèi)布置擋水墻方案的流線矢量圖，該方案的整流效果與消能墩方案近似。圖11為進水槽與進水池中間布置導流孔方案的流線矢量圖，水流通過導流孔均勻流入進水池，進水池內(nèi)未產(chǎn)生漩渦，進水池內(nèi)流線速度較小且分布均勻。

3.3.2 流場內(nèi)速度矢量特性

將無整流措施方案和導流孔方案流場內(nèi)的速度矢量特性進行對比分析，由于VOF模型捕捉氣-液兩相交界面存在一定誤差，選取正常水深水面下50 cm 處橫斷面做速度矢量圖。圖12為無措施方案速度矢量圖，進水池內(nèi)存在左、右兩個漩渦，漩渦速度不同，漩渦處水流速度為0.063 3 m/s，根據(jù)重力相似準則換算成原模型流速度為0.2 m/s，同時進水池內(nèi)整體流速較大。圖13為導流孔方案速度矢量圖，進水池內(nèi)未產(chǎn)生明顯的漩渦，水流速度基本接近零，流場內(nèi)流態(tài)得到明顯的改善。

4 結(jié) 論

基于VOF模型對大中河二級泵站側(cè)向進水池擬選的不同整流消能方案進行數(shù)值模擬研究，選出適用該泵站側(cè)向進水池的整流措施，并和未整流的效果進行了對比，得出如下結(jié)論：

（1）該泵站導流孔墻均勻布置56個導流孔，孔徑D=200 mm，孔間距L=3 m，單孔流量為0.032 1 m/s，經(jīng)計算分析證明該方案整流消能效果顯著。

（2）導流孔墻把水流漩滾消能區(qū)域和泵站進水池隔離，很大程度減少了水流漩滾對側(cè)向進水池流態(tài)的擾動。

（3）進水槽內(nèi)的水流漩滾消除了大部能量，導流孔墻兩側(cè)的水位差較小，保證水流均勻流入進水池，進水池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定且未形成漩渦，流速接近于零。

參考文獻：

［1］ 關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊［M］.北京：宇航出版社，1995.

［2］ 王福軍.水泵與水泵站［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

［3］ 肖若富，李寧寧.進水池形狀對吸入渦影響試驗研究［J］.排灌機械工程學報，2016，34（11）：953-958.

［4］ 劉超.軸流泵系統(tǒng)技術創(chuàng)新與發(fā)展分析［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（6）：49-59.

［5］ 陳義春，張慧，戴盛，等.小型泵站吸水井進水管位置數(shù)值模擬［J］.排灌機械工程學報，2017，35（11）：962-967.

［6］ 馬凌騰，賀牧俠.基于VOF方法的自由液面對低揚程軸流泵影響研究［J］.水利水電快報，2022，43（1）：44-49.

［7］ 李明，王勇，張子龍，等.泵站進水池內(nèi)部流動特性研究［J］.人民長江，2023，54（5）：246-251.

［8］ 何耘.水泵進水池旋渦研究的主要進展［J］.水力發(fā)電學報，2004（5）：92-96.

［9］ 叢國輝，王福軍.湍流模型在泵站進水池漩渦模擬中的適用性研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2008，129（6）：31-35.

［10］ CONSTANTINESCU G S，PATEL V C.Numerical model for simulation of pump-intake flow and vortices［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1998，124（2）：123.

［11］ RAJENDRAN V P，CONSTANTINESCU S G，PATEL V C.Experimental validation of numerical model of flow in pump-intake bays［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（11）：1119.

［12］ 馬濤，樊紅剛，袁義發(fā)，等.基于VOF模型的泵站進水池流場計算研究［J］.水力發(fā)電學報，2013，32（6）：244-249，255.

［13］ 孔德謙，韓靈杰，李見陽.水平吸水管懸空高對泵站進水池進水特性影響［J］.人民長江，2017，48（5）：87-90，100.

［14］ 常鵬程，楊帆，孫丹丹，等.多機組泵站側(cè)向進水前池流態(tài)及整流措施分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2021，470（12）：229-234.

［15］ 王勇，呂立霖，劉厚林，等.泵站進水池低水位流態(tài)分析及整流方案研究［J］.水電能源科學，2022，40（8）：186-189.

（編輯：李 慧）

Numerical simulation study on rectification energy dissipation of lateral inlet

reservoir in cascade pumping stationsLIU Junhua，WANG Meifang

（1.Yunnan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Kunming 650000，China； 2.Yunnan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to study the stability of the flow regime in the lateral inlet pool of cascade pumping stations in long-distance pipeline water transportation projects，based on the Reynolds time averaged N-S equation，the standard k-ε turbulence model and the Volume of Fluid （VOF） method were used to conduct numerical simulations of rectification energy dissipation for four schemes，such as non-measurements，energy dissipation piers，retaining walls and diversion outlets. The streamline characteristics，velocity vectors and vortex characteristics of four schemes were compared. The results showed that the high-speed water flow from the tail of inlet groove for lateral inlet pool can easily form large vortices when entering the inlet pool of the pump station. The energy dissipation pier and retaining wall scheme reduced the water flow velocity in the inlet tank，but the effect was not significant，and vortices were still formed in the inlet tank.The diversion outlet scheme enabled the water flow to dissipate energy through turbulent flow in the inlet channel，which smoothly entered the pump station inlet pool through the diversion outlet. The water flow velocity in the inlet pool was close to zero，and the rectification energy dissipation effect was significant. The research results can provide technical support for the rectification and energy dissipation of the lateral inlet pool of the cascade pumping station．

Key words：rectification energy dissipation；Volume of Fluid method；cascade pumping station；diversion outlet；lateral inlet water tank；vortex