泵站正向進(jìn)水前池“V”形導(dǎo)流墩整流數(shù)值模擬

劉志泉，成 立，卜 舸，袁連沖，施 偉

（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.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127；3.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，南京 210029）

0 引 言

一些泵站在建設(shè)時(shí)，受地形及兼顧排澇要求的限制，前池設(shè)計(jì)為不規(guī)則的正向進(jìn)水型式。這種不規(guī)則型式的泵站前池雖然方便施工，但容易在前池內(nèi)形成漩渦和回流，導(dǎo)致進(jìn)水條件差［1］，進(jìn)而引發(fā)水泵葉片、葉輪室汽蝕［2］，不利于泵站的運(yùn)行和維護(hù)。

針對(duì)泵站前池流態(tài)的改善，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了研究，其中底坎［3，4］、導(dǎo)流墩［5-7］、壓水板［7，8］等整流措施得到了廣泛應(yīng)用。成立等［9］利用數(shù)值模擬方法研究底坎整流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并分析了底坎的主要特征參數(shù)對(duì)前池流態(tài)的影響；高傳昌等［10］分析底坎與壓水板的聯(lián)合整流機(jī)理，消除了機(jī)組振動(dòng)，提高了水泵運(yùn)行效率；羅燦等［11］通過(guò)在前池內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墩縮小了回流區(qū)的范圍，改善了進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的流速分布；馮建剛等［12］提出底墩和導(dǎo)流墩等措施來(lái)改善進(jìn)水口流態(tài)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。近幾年也有學(xué)者提出倒T 形底坎［13］、鏤空式底坎［14］、楔形導(dǎo)流墩［15］等新型整流措施。本文針對(duì)某泵站不規(guī)則前池的不良流態(tài)，提出“V”形導(dǎo)流墩的9 種整流措施，通過(guò)數(shù)值模擬方法分析研究導(dǎo)流墩位置、個(gè)數(shù)、幾何參數(shù)對(duì)泵站前池流態(tài)及進(jìn)水池進(jìn)口軸向速度分布均勻度的影響，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出的結(jié)果對(duì)不規(guī)則正向進(jìn)水前池的流態(tài)改善具有一定參考意義。

1 數(shù)值模擬模型及計(jì)算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

前池內(nèi)的流動(dòng)可視為三維不可壓縮黏性湍流流動(dòng)，RNGkε湍流模型來(lái)源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，通過(guò)修正湍動(dòng)黏度并考慮平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流情況，同時(shí)在ε方程中增加反映主流時(shí)均應(yīng)變率的一項(xiàng)，可以很好地處理帶旋流［16］。因此采用雷諾時(shí)均N-S 方程和RNGk-ε湍流模型描述該流動(dòng)，其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程，即式（1）和式（2）。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

式中：ui分別為x、y、z方向的速度分量；p為壓力；ρ為流體密度；g為重力加速度；ν為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；νt為紊動(dòng)黏性系數(shù)。

1.2 計(jì)算域參數(shù)及網(wǎng)格劃分

在UG NX12.0 軟件構(gòu)建泵站的三維流體計(jì)算域，包含引渠、涵洞、前池、進(jìn)水池和各水泵的出水管。該泵站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位28.5 m，水深4.6 m；最低運(yùn)行水位27.5 m，水深3.6 m，是前池不良流態(tài)產(chǎn)生的不利水位，本次計(jì)算對(duì)該水位工況進(jìn)行數(shù)值模擬。泵站安裝3 臺(tái)軸流泵機(jī)組，單泵設(shè)計(jì)流量3 m3/s，葉輪直徑D=800 mm。本次數(shù)值計(jì)算主要研究前池流態(tài)，以進(jìn)水喇叭管和出水彎管代替泵段。計(jì)算域及其具體尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 計(jì)算域及其尺寸示意圖Fig.1 Diagram of calculation domain and its size

在ANSYS Mesh 中對(duì)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為保證網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算的可靠性，對(duì)前池和進(jìn)水池段網(wǎng)格進(jìn)行加密，對(duì)出水彎管壁面設(shè)置邊界層，層數(shù)為6層，增長(zhǎng)率為1.2。網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

圖2 局部網(wǎng)格劃分及出水管邊界層示意圖Fig.2 Diagram of local mesh division and boundary layer of outlet pipe

1.3 邊界條件設(shè)置

將引渠進(jìn)水?dāng)嗝嬖O(shè)置為計(jì)算域進(jìn)口，設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口，進(jìn)口流量9 000 kg/s；進(jìn)水池出水管出水側(cè)為出口，設(shè)為自由出流條件，參考?jí)毫?01.325 kPa；根據(jù)剛蓋假定，自由水面設(shè)為對(duì)稱邊界；其余壁面為固體壁面，采用壁面函數(shù)處理；計(jì)算采用一階迎風(fēng)格式，收斂精度為10-4。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

為提高計(jì)算速度，同時(shí)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性分析。在ANSYS Mesh中剖分8組不同數(shù)量的網(wǎng)格，分別為178.9 萬(wàn)、284.3 萬(wàn)、331.5 萬(wàn)、394.5 萬(wàn)、433.7 萬(wàn)、510.6 萬(wàn)、634.0 萬(wàn)、740.2 萬(wàn)個(gè)，以水力損失作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，水力損失的計(jì)算公式見(jiàn)式（3）［17］。

式中：Δh為引渠進(jìn)口到吸水管出口的總水力損失；Pin為進(jìn)口的總壓強(qiáng)；Pout為出口的總壓強(qiáng)；ρ為流體密度；g為重力加速度。

圖3為不同網(wǎng)格數(shù)量下的水力損失，由圖可知，網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)433.7 萬(wàn)個(gè)后，水力損失基本不變，相對(duì)變化在±2%以內(nèi)，本次計(jì)算選取的網(wǎng)格數(shù)量級(jí)為510.6萬(wàn)個(gè)。

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

2 研究方案

導(dǎo)流墩能顯著改善前池中的回流和二次環(huán)流［18］，而“V”形導(dǎo)流墩能使水流沿其兩翼擴(kuò)散因而具有良好的分流作用。該前池為擴(kuò)散前池，為消除前池回流區(qū)使水流更好地?cái)U(kuò)散以均勻地進(jìn)入進(jìn)水池，將導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)為“V”形。本文研究了“V”形導(dǎo)流墩的9種整流方案，方案1不設(shè)整流措施，為原方案；方案2～4布置1 個(gè)導(dǎo)流墩A；方案5～10 布置2 個(gè)導(dǎo)流墩，分別為導(dǎo)流墩A、導(dǎo)流墩B，分別位于1、3 號(hào)機(jī)組前，位置由到進(jìn)水池進(jìn)口的距離X和距2 號(hào)機(jī)組中心線的距離Y確定（見(jiàn)圖1）。通過(guò)對(duì)導(dǎo)流墩位置、長(zhǎng)度、分叉角度3 種參數(shù)的設(shè)置，達(dá)到整流的效果。其尺寸參數(shù)如圖4所示，W、L、H、θ分別為導(dǎo)流墩的寬度、長(zhǎng)度、高度、分叉角度，導(dǎo)流墩的寬度W為0.5D，高度H高于水深，整流方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 研究方案設(shè)計(jì)Tab.1 Design of the research scheme

圖4 “V”形導(dǎo)流墩及其尺寸參數(shù)Fig.4 "V"shaped diversion pier and its dimensional parameters

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 特征斷面和評(píng)價(jià)指標(biāo)

如圖1所示，選擇橫斷面1-1（Z=4D）為面層剖面，用以研究面層的流態(tài)；橫斷面2-2（Z=0.5D）為底層剖面，用以研究底層的流態(tài)；選擇縱斷面3-3（X=0）來(lái)研究進(jìn)水池進(jìn)口的軸向速度分布。以軸向速度分布均勻度Vau來(lái)描述進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向流速的均勻程度，計(jì)算公式［11］如下：

式中：Vau為軸向速度分布均勻度；Vai為斷面各節(jié)點(diǎn)的軸向速度；Va為斷面平均軸向速度；n為節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

3.2 無(wú)整流措施下的前池流態(tài)

原方案（方案1）下的前池面層、底層流態(tài)如圖5（a）、圖6（a）所示。由圖可知，面層流態(tài)較為均勻平順，底層水流通過(guò)坡降進(jìn)入前池后在兩側(cè)產(chǎn)生大區(qū)域的回流，水流沿邊壁碰撞后發(fā)生偏斜，導(dǎo)致1、3 號(hào)機(jī)組前進(jìn)水流態(tài)紊亂。不良進(jìn)水流態(tài)不僅會(huì)影響水泵性能，而且會(huì)導(dǎo)致前池的局部淤積［2］，因此前池底層流態(tài)是本次整流需重點(diǎn)研究的對(duì)象。圖7 為進(jìn)水池進(jìn)口斷面3-3軸向速度分布的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，數(shù)值模擬得到的結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，證明本次數(shù)值模擬結(jié)果可信。

圖7 進(jìn)水池進(jìn)口斷面1-1軸向速度分布Fig.7 Axial velocity distribution at the inlet section 1-1 of intake pool

3.3 單個(gè)導(dǎo)流墩對(duì)前池流態(tài)的影響

比較圖5、圖6 中放置單個(gè)“V”形導(dǎo)流墩的方案，僅在導(dǎo)流墩開(kāi)口附近產(chǎn)生小范圍漩渦，這是由“V”形導(dǎo)流墩的形狀特點(diǎn)引起的，基本未對(duì)面層進(jìn)水流態(tài)產(chǎn)生不利影響。導(dǎo)流墩距進(jìn)水池為15D時(shí)的底層流態(tài)較距離20D時(shí)的流態(tài)好，因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)時(shí)，擴(kuò)散后的水流又撞擊到不規(guī)則邊壁形成回流，未起到整流效果。導(dǎo)流墩分叉角度為45°時(shí)，水流的擴(kuò)散比開(kāi)叉角度為30°時(shí)更為均勻，但1 號(hào)機(jī)組前水流發(fā)生偏斜，并影響了2 號(hào)機(jī)組的進(jìn)水流態(tài)。相較于導(dǎo)流墩長(zhǎng)度為2.25D，導(dǎo)流墩長(zhǎng)度為3D時(shí)擴(kuò)散效果更好，前池內(nèi)產(chǎn)生的回流區(qū)域較小。

圖5 方案1～5面層流態(tài)Fig.5 Surface flow pattern of schemes 1～5

圖6 方案1～5底層流態(tài)Fig.6 Bottom flow pattern of schemes 1～5

3.4 兩個(gè)相同的導(dǎo)流墩對(duì)前池流態(tài)的影響

前池中的漩渦主要集中在底層兩側(cè)，設(shè)置單個(gè)導(dǎo)流墩不足以將其消除，因此設(shè)置兩個(gè)“V”形導(dǎo)流墩方案。由圖8、圖9 可知，導(dǎo)流墩距進(jìn)水口20D時(shí)的前池流態(tài)比距進(jìn)水口15D時(shí)好，距離較近時(shí)水流未能充分?jǐn)U散。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)流墩距離2號(hào)機(jī)組中心線2.5D時(shí)，導(dǎo)流墩未對(duì)前池兩側(cè)漩渦起到實(shí)質(zhì)的破壞作用，整流效果較差；距離2號(hào)機(jī)組中心線5D時(shí)，導(dǎo)流墩A對(duì)1號(hào)機(jī)組前的漩渦破壞作用較小，水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流墩后繼續(xù)碰撞邊壁，1號(hào)機(jī)組的進(jìn)水流態(tài)未得到改善，導(dǎo)流墩B 有效地對(duì)3 號(hào)機(jī)組前的漩渦起到了消除作用，使2、3 號(hào)機(jī)組前的水流趨于平順；距離2 號(hào)機(jī)組中心線7.5D時(shí)，導(dǎo)流墩靠墻壁太近未對(duì)兩側(cè)回流區(qū)起到消除作用，在兩導(dǎo)流墩中間形成新的漩渦，整流效果差。

圖8 方案6～10面層流態(tài)Fig.8 Surface flow patterns of schemes 6～10

圖9 方案6～10底層流態(tài)Fig.9 Bottom flow patterns of schemes 6～10

3.5 兩個(gè)不同的導(dǎo)流墩對(duì)前池流態(tài)的影響

由圖8（c）、圖9（c）可知，導(dǎo)流墩B 距進(jìn)水池X2=20D，距2 號(hào)機(jī)組中心線Y2=5D，分叉角度為30°時(shí)，2、3 號(hào)機(jī)組進(jìn)水流態(tài)較好，進(jìn)水口前無(wú)漩渦，流線平順，因此導(dǎo)流墩B的設(shè)計(jì)是合理的，只需對(duì)導(dǎo)流墩A 重新設(shè)計(jì)。導(dǎo)流墩A 距進(jìn)水口15D時(shí)，雖然在前池中間形成了小范圍回流區(qū)，但經(jīng)過(guò)發(fā)展后消除，未對(duì)進(jìn)水池流態(tài)造成不利影響，而且導(dǎo)流墩A 分叉角度無(wú)論是15°還是22.5°，均有效對(duì)1 號(hào)機(jī)組前的漩渦起到了破壞作用，分叉角度為15°時(shí)，水流更為平順。

3.6 軸向速度分布均勻度

為定量地分析整流效果，以各機(jī)組進(jìn)水池進(jìn)口斷面3-3 的軸向速度分布均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。原方案（方案1）與導(dǎo)流墩方案進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度的對(duì)比如圖10所示，各機(jī)組進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度如表2所示。比較原方案下的軸向速度分布均勻度，1、3 號(hào)機(jī)組較低，分別為61.7%、65.6%，2號(hào)機(jī)組為79.8%。方案9、10對(duì)各機(jī)組整體軸向速度分布均勻度有明顯提升，對(duì)1 號(hào)機(jī)組分別提升2.8%、17.8%，對(duì)2 號(hào)機(jī)組分別提升3.2%、2.7%，對(duì)3 號(hào)機(jī)組分別提升13.7%、9.8%。綜合以上方案，方案10 對(duì)兩側(cè)機(jī)組整體的軸向速度分布均勻度提升最為明顯，為最佳整流方案。如圖11 所示，方案10 中1、3 號(hào)機(jī)組前的回流區(qū)消除，進(jìn)水流態(tài)更加均勻。方案10 對(duì)其他工況的軸向速度分布均勻度也有所提升，只開(kāi)1臺(tái)機(jī)組時(shí)，2 號(hào)機(jī)組軸向速度分布均勻度為75.5%，較原方案提升4.9%；開(kāi)啟2臺(tái)機(jī)組時(shí)，2、3號(hào)機(jī)組軸向速度分布均勻度分別為78.9%、79.9%，較原方案分別提升5.1%、8.3%。

圖10 各方案3-3斷面軸向速度分布均勻度比較Fig.10 Comparison of uniformity of axial velocity distribution on section 3-3 of each scheme

圖11 方案10前池行進(jìn)流速變化示意圖Fig.11 Diagram of flow velocity variation of forebay of scheme 10

表2 各方案3-3斷面軸向速度分布均勻度 %Tab.2 Uniformity of axial velocity distribution on section 3-3 of each scheme

3.7 “V”形導(dǎo)流墩整流機(jī)理

根據(jù)對(duì)以上研究方案的分析可知，“V”形導(dǎo)流墩能夠顯著改善前池中的大區(qū)域回流。如圖11 所示，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)“V”形導(dǎo)流墩后，沿其兩翼進(jìn)行擴(kuò)散，使流速分布趨于均勻，前池不良流態(tài)得以改善。尾后水流流速較低，在分叉口附近產(chǎn)生回旋，經(jīng)發(fā)展后可消除，回旋范圍大小與導(dǎo)流墩的長(zhǎng)度、分叉角度有關(guān)，因此“V”形導(dǎo)流墩不宜距離進(jìn)水池過(guò)近。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）原方案中，泵站前池底層兩側(cè)存在大區(qū)域回流區(qū)，通過(guò)設(shè)置“V”形導(dǎo)流墩的尺寸參數(shù)對(duì)前池流態(tài)進(jìn)行整流，“V”形導(dǎo)流墩能使水流沿其兩翼重新擴(kuò)散因而具有良好的分流作用。

（2）單個(gè)“V”形導(dǎo)流墩對(duì)前池流態(tài)改善的效果有限，1 號(hào)機(jī)組前仍存在較大漩渦，且易導(dǎo)致2 號(hào)機(jī)組進(jìn)口軸向速度分布均勻度降低。

（3）兩個(gè)“V”形導(dǎo)流墩中的方案10 為最佳整流方案，對(duì)兩側(cè)機(jī)組進(jìn)水流態(tài)有較大提升，各機(jī)組進(jìn)口軸向速度分布均勻度分別提升17.8%、2.7%、9.8%。

（4）“V”形導(dǎo)流墩可有效消除前池中的大區(qū)域回流，在不規(guī)則的正向進(jìn)水前池中得到較好的應(yīng)用，研究結(jié)果為泵站前池改造提供了參考。 □