超大型城市供水泵站前池導(dǎo)流措施的流場及水力模型研究

王磊磊

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 前言

某大型供水泵站具有長距離隧道進(jìn)水，泵站流量大、揚(yáng)程高，供水方向多，機(jī)組臺數(shù)多，運(yùn)行時(shí)間長等特點(diǎn)。泵站受地形條件、場地面積等限制，總體布置較為局促，約束性條件較多。泵站進(jìn)水管管徑為5.5 m，輸水規(guī)模為708萬m3/d，水經(jīng)過泵增壓后沿著三個(gè)不同方向供水。泵站采用90°側(cè)向進(jìn)水方式，兩側(cè)對稱布置，單側(cè)前池3座，單座前池水設(shè)吸水池4格，每格設(shè)泵1臺，共設(shè)有24臺水泵，采用進(jìn)水管—過渡段—配水渠—前池—進(jìn)水池—泵的布置方式。

吸水池的流態(tài)直接決定了泵站供水的安全和穩(wěn)定[1]，而影響吸水池的流態(tài)主要因素有吸水條件、主要設(shè)計(jì)尺寸[2]（包括池長、池寬、后壁距、淹沒水深、懸空高度等）和型式。

吸水池流態(tài)的惡化主要是由于進(jìn)水偏流，以及矩形吸水池?zé)o法抑制偏流所導(dǎo)致[3]。本文在泵站整體配水研究的基礎(chǔ)上[4]，針對前池的導(dǎo)流方案進(jìn)行數(shù)值模擬及水力模型的試驗(yàn)研究，改善吸水池的水力性能，為大型泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 計(jì)算及試驗(yàn)條件

1.1 計(jì)算模型的建立

在設(shè)計(jì)工況時(shí)，分別對進(jìn)水池中水泵喇叭口下方是否加導(dǎo)流錐進(jìn)行數(shù)模計(jì)算。圖1為喇叭口下方無導(dǎo)流錐和加導(dǎo)流錐的網(wǎng)格圖。由于喇叭口下方加了導(dǎo)流錐，需要對網(wǎng)格部分加密，網(wǎng)格總數(shù)會增加許多。本文對設(shè)計(jì)工況下一、四前池后面的進(jìn)水池內(nèi)喇叭口下方加導(dǎo)流錐進(jìn)行數(shù)值模擬，無導(dǎo)流錐網(wǎng)格總數(shù)為252.2萬，部分加導(dǎo)流錐后網(wǎng)格數(shù)為271.4萬。

圖1 喇叭口下方增設(shè)導(dǎo)流錐前后的計(jì)算網(wǎng)格圖

FLUENT 6.3中提供了多種湍流模型，其中realizableκ-ε模型是在κ-ε標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上增加了湍流粘性公式和耗散率輸運(yùn)方程，因此在流動分離和二次流方面有很好的表現(xiàn)。本文選擇realizableκ-ε模型進(jìn)行計(jì)算，其紊流動能κ和紊流動能耗散率ε的運(yùn)輸方程分別為：

式中：Vt——紊動粘性系數(shù)，Vt=Cμκ2/ε ；

G——浮力產(chǎn)生的湍流動能；

σκ，σe——粘性常數(shù)，計(jì)算中常采用1.0和1.3；

C1ε，C2ε——模型常量，分別取值1.44、1.92。

計(jì)算時(shí)假定清水進(jìn)水的密度為1000.35kg/m3，動力粘度為 1.005e-3Pa·s。

1.2 邊界條件

邊界條件為：進(jìn)口為速度邊界條件，出口壓力為敞開大氣壓，水面為自由界面，無剪切和滑移速度，池底和邊壁為固體壁面，壁面上流速為零，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[5]。使用交錯網(wǎng)格有限體積法（CVM）求解微分方程，壓力與速度耦合方程使用SIMPLEC方法進(jìn)行求解，湍動能、湍流耗散、動能均采用QUICK離散格式。

1.3 水力模型的設(shè)計(jì)

結(jié)合模型用泵的選擇要求及模型水流在阻力平方區(qū)要求，選取模型線性比尺λL=8。根據(jù)試驗(yàn)要求，采用外形幾何相似，流量適應(yīng)模擬要求，可作調(diào)節(jié)的水泵作為試驗(yàn)用泵；試驗(yàn)中，通過安裝于水泵出水管上的調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)水泵流量以滿足試驗(yàn)對流量的要求。原型進(jìn)、配水建筑物為鋼筋混凝土制作，若施工質(zhì)量良好，其糙率為0.013～0.014，模型進(jìn)、配水建筑物過流面采用純水泥抹面，其糙率可達(dá)0.010～0.011，基本可滿足糙率相似的要求；為便于觀測水泵進(jìn)水喇叭口附近的水流流態(tài)，進(jìn)水池后壁及側(cè)壁局部采用透明材料制作[6]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

利用所建立的泵站數(shù)值模型及水力模型，重點(diǎn)模擬計(jì)算泵站的吸水池部分部分和水泵喇叭口區(qū)域的流場特征，并進(jìn)行試驗(yàn)觀察和流速測定，改善泵站的配水均勻性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1 設(shè)計(jì)工況計(jì)算

之前的數(shù)值模型計(jì)算表明前池一、四后面的進(jìn)水池水泵喇叭口下偏流比較嚴(yán)重，因此重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)工況下的一、四前池后面的進(jìn)水池的流場特征，并對水泵喇叭口下方加導(dǎo)流錐進(jìn)行計(jì)算對比。模擬結(jié)果見表1所列。

如表1所列，增加了導(dǎo)流錐后的喇叭口下方水泵進(jìn)水偏流明顯減弱，除了4-2喇叭口下的偏流為7°外 ，偏流角一般均小于4°，可見在喇叭口下方加了導(dǎo)流錐對改善進(jìn)泵偏流效果顯著。同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明，水平和垂直方向的流態(tài)分布變化不大。

2.2 事故工況計(jì)算

事故工況時(shí)，左側(cè)單管進(jìn)流比右側(cè)單管進(jìn)流的偏流情況更嚴(yán)重，這已由前述作了說明。為了改善事故工況時(shí)的偏流情況，優(yōu)化泵站吸水池部分的設(shè)計(jì)方案，本節(jié)對泵站左側(cè)單管進(jìn)流喇叭口下方增加導(dǎo)流錐進(jìn)行模擬。錐形導(dǎo)流體由于類似于水泵喇叭口的結(jié)構(gòu)特征，可以起到限制水流環(huán)繞水泵旋轉(zhuǎn)的作用，漩渦和環(huán)流都不易發(fā)生，具有良好的水力條件，可獲得滿意的進(jìn)水流態(tài)。喇叭口加導(dǎo)流錐三維網(wǎng)格見圖1所示。泵站進(jìn)水底平面流速分布及流線見圖2所示。表2所列為泵站配水渠6座前池進(jìn)口流量的統(tǒng)計(jì)情況及偏差比較。

由圖2及表2可以看出，增設(shè)導(dǎo)流錐后，單側(cè)水泵的吸水池流態(tài)得到了大大改善，最外側(cè)吸水池吸水口平均偏流角為6°，平均流量偏差比由26.89%降低至13.26%，吸水管附近水流比較平順、均勻、對稱。

3 水力模型的驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 導(dǎo)流墩整流方案

試驗(yàn)對三種形式的導(dǎo)流墩布置方案進(jìn)行了比選試驗(yàn)，各方案導(dǎo)流墩均布置在前池?cái)U(kuò)散段。

（1）垂直導(dǎo)流墩：導(dǎo)流墩平行布置，走向與配水孔口垂直，墩長均為8.8 m，墩厚均為0.80 m，頂高-3.00 m，導(dǎo)流墩前緣為半圓弧并緊貼配水孔孔口，導(dǎo)流墩進(jìn)一步將配水孔由2列2行分割成4列2行的8孔配水孔。

（2）分離導(dǎo)流墩：導(dǎo)流墩平行布置，走向與配水孔口垂直，墩長均為6.8 m，墩厚均為0.80 m，頂高-3.00 m，導(dǎo)流墩前端與配水孔口間有1.6 m的距離。

（3）八字形導(dǎo)流墩：導(dǎo)流墩呈八字形布置，墩長均為8.8 m，墩厚均為0.80 m，頂高-3.00 m，導(dǎo)流墩前緣為半圓弧并緊貼配水孔孔口，導(dǎo)流墩走向分別位于導(dǎo)流墩前緣頂點(diǎn)與兩邊機(jī)組隔墩頂點(diǎn)的連線上。

表1 喇叭口下方水泵進(jìn)水偏流情況一覽表[單位：（°）]

圖2 泵站進(jìn)水底平面流速分布及流線圖示（h=2.75m斷面）

3.2 方案比選

試驗(yàn)表明，各導(dǎo)流墩方案均能在一定程度上改善前池不良流態(tài)，但是效果不一。垂直導(dǎo)流墩方案能有效地消除前池存在的大范圍回流區(qū)，但是導(dǎo)流作用不足，對前池存在的斜向流不能有效消除，前池局部區(qū)域仍存在小范圍回流及斜向流。分離導(dǎo)流墩方案在一定程度上優(yōu)化了垂直導(dǎo)流墩方案的不足，水流在配水孔口和導(dǎo)流墩之間有1.6m空間可以進(jìn)行水量交換，能有效地消除前池存在的大范圍回流區(qū)，但是導(dǎo)流作用仍顯不足，主要表現(xiàn)在導(dǎo)流墩與池壁間仍存在小范圍回流及斜向流。八字形導(dǎo)流墩方案能有效地消除前池存在的大范圍回流區(qū)和斜向流，可以通過調(diào)整導(dǎo)流墩前緣的位置來調(diào)整配水孔口的分流比[7]，同時(shí)又可以通過調(diào)整導(dǎo)流墩的走向來加強(qiáng)導(dǎo)流墩的導(dǎo)流作用。根據(jù)多方案多工況對比試驗(yàn)的結(jié)果，八字形導(dǎo)流墩方案的整流效果最優(yōu)，選定其為導(dǎo)流墩整流方案。

表2 泵站配水渠前池進(jìn)口流量統(tǒng)計(jì)一覽表

采用八字形導(dǎo)流墩方案后，經(jīng)常運(yùn)行工況下前池水位較設(shè)計(jì)運(yùn)行水位高，池內(nèi)流速有所減緩，各池總體流態(tài)與設(shè)計(jì)工況相近。抗咸運(yùn)行工況前池水位為-6.420 m，運(yùn)行水位較設(shè)計(jì)工況低，但相應(yīng)引水流量亦有所減少，與設(shè)計(jì)運(yùn)行工況相比，前池流速略有降低。泵站各前池流態(tài)總體上與設(shè)計(jì)運(yùn)行工況相類似，進(jìn)水池進(jìn)口處流態(tài)良好。

3.3 喇叭口流態(tài)觀測

經(jīng)常運(yùn)行工況時(shí)，水庫水位2.00 m，前池水位-3.14 m；抗咸運(yùn)行工況時(shí)，水庫水位6.20 m，前池水位1.28 m。抗咸運(yùn)行工況水泵喇叭口進(jìn)水流態(tài)見圖3所示。從泵站整體模型水泵喇叭口流態(tài)觀測角度，說明泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)參數(shù)以及水泵進(jìn)水流態(tài)導(dǎo)流設(shè)施合理。

圖3 抗咸運(yùn)行工況水泵喇叭口進(jìn)水流態(tài)圖示

通過試驗(yàn)現(xiàn)場觀測和拍照、錄像資料對比分析，未發(fā)現(xiàn)水泵喇叭口附近有漩渦、偏流、回流等不良流態(tài)，未見喇叭口單向進(jìn)水現(xiàn)象，水流從喇叭口四周環(huán)向進(jìn)水，進(jìn)水較均勻、平順，水泵吸水條件良好。在流態(tài)觀測的同時(shí)，對增設(shè)導(dǎo)流墩后配水渠末端至前池末端的水位落差進(jìn)行了量測。配水渠至前池末端的水位落差雖有所增加，但仍滿足設(shè)計(jì)方所提出的水力設(shè)計(jì)要求。導(dǎo)流墩整流方案配水渠至前池末端最大水位落差為0.020 m。

4 結(jié)論

針對高約束性條件下的大型泵站前池流態(tài)，通過建立紊流不可壓縮流體的速度場模型及多方案的水力模型，計(jì)算并分析了增設(shè)導(dǎo)流錐、導(dǎo)流墩對前池及吸水池流場的影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。主要結(jié)論包括：

（1）計(jì)算結(jié)果表明，增加導(dǎo)流錐后的喇叭口下方水泵進(jìn)水偏流明顯減弱，偏流角一般均小于4°，水平和垂直方向的流態(tài)分布變化不大，對改善進(jìn)泵偏流效果顯著；

（2）事故工況時(shí)，單側(cè)水泵的吸水池流態(tài)得到了大大改善，平均流量偏差比由26.89%降低至13.26%，吸水管附近水流比較平順、均勻；

（3）前池的八字形導(dǎo)流墩方案可有效消除存在的大范圍回流區(qū)和斜向流，并通過調(diào)整配水孔口的分流比加強(qiáng)導(dǎo)流作用，因此整流效果較優(yōu)；

（4）導(dǎo)流墩整流方案配水渠至前池末端最大水位落差為0.020 m，滿足設(shè)計(jì)方所提出的水力設(shè)計(jì)要求。

[1]Matahel Ansar,Tatsuaki Nakato.Ansar.Experimental study of 3D Pump-Intake Flows with and without Cross Flow[J].Joumal of Hydraulie Engineering,2001,127(10):825-834.

[2]成立,劉超,周濟(jì)人，等.泵站前池底壩整流數(shù)值模擬研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(3):31-35.

[3]Li S,Lai Y,Weber L,et al.Validation of a 3D numerical model for water pump-intakes[J].J.Hydr.Research,2004,42(2):282-292.

[4]劉文明,金仲康,鄭源，等.大型供水泵站數(shù)值模擬及水力優(yōu)化[J].給水排水,2009,35(6):54-57.

[5]Rajendran V P,Patel V C.Measurement of vortices in model pump-intake bay by PIV[J].Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,2000,126(5):322-334.

[6]馮建剛,李杰.大型城市水源泵站前池流態(tài)及改善措施試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2010,30(2):70-74.

[7]周龍才,劉士和,丘傳忻.泵站正向進(jìn)水前池流態(tài)的數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械,2004,22(1):23-27.