張忠孝
(東港市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 東港 118300)
泵站是水利工程不可或缺的一部分,可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水、工業(yè)用水、生活用水的長距離運輸,保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1-6]。但是在泵站運行過程中,進水口附近區(qū)域時常會出現(xiàn)漩渦,由于漩渦會產(chǎn)生吸氣現(xiàn)象,從而導致空化、機組振動、機組運行效率降低以及卷入漂浮物等問題,對于泵站的長期安全與穩(wěn)定運行造成負面影響[7-8]。
影響泵站進水口水力特性的因素較多,如進水口方向、角度、進水流量、進水口布置形式、淹沒深度等[9-13]。其中,進水口淹沒深度是較重要的因素之一,淹沒深度會導致泵站存在死水區(qū)域,當來水經(jīng)過死水區(qū)域時由于流速分布變得極不均勻,就容易形成漩渦。淹沒深度不僅關(guān)系著泵站的長期安全運行,而且還與工程成本直接相關(guān),淹沒深度過大或者過小均不能達到良好的工程效益。因此,有必要針對復(fù)雜工況下的泵站進水口水力特性進行研究。
本文利用數(shù)值模擬方式,對0.8、1和1.2 m3/s共3種流量以及-0.1、0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 m共8種淹沒深度下的泵站進水口漩渦水力特性進行模擬分析,以期能為泵站設(shè)計和運行提供參考。
在流體力學當中,主要存在連續(xù)方程、動量守恒方程以及能量守恒方程等三大控制方程,由于自然界水體屬于單向流動,不涉及化學反應(yīng),因而本文僅考慮流體的連續(xù)性和動量守恒。選定控制方程后,需要進行計算區(qū)域的離散化,常用的控制方程離散化方法有有限差分法、有限單元法、有限體積法等,其中有限體積法具有運算速度快的優(yōu)點,故本文采用有限體積法。前人研究表明,Realizablek-ε模型在進行泵站前池數(shù)值模擬時,漩渦范圍與實際情況更加符合,因而本文選用Realizablek-ε模型作為數(shù)值模擬時的湍流模型[14]。
采用UG10軟件構(gòu)建泵站進水口幾何模型。該進水口包括5臺泵站機組(流道頂板厚度h1=1.2 m),將建立好的泵站幾何模型導入Fluent數(shù)值模擬軟件中進行網(wǎng)格劃分。在Fluent軟件中,泵站出口處設(shè)置為自由出流邊界條件,泵站進口處選用流量進口,自由表面選用剛蓋假定,泵站前池、流道邊壁、引渠等結(jié)構(gòu)均采用無滑移的邊界條件[15]。
采用Mesh軟件對泵站進行網(wǎng)格劃分,將泵站劃分為四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。為了計算精確,在邊墩等位置處采取網(wǎng)格加密處理,正常網(wǎng)格的大小尺寸為0.2 m的四面體,加密網(wǎng)格的大小尺寸為0.02 m的四面體,整個模型網(wǎng)格數(shù)量達到202×104個,經(jīng)網(wǎng)格劃分后的模型見圖1。
圖1 泵站進水口數(shù)值模型
網(wǎng)格劃分太稀會增加模型計算的離散誤差,導致仿真計算結(jié)果與實際結(jié)果相差較大;網(wǎng)格劃分太密,會導致模擬計算時間大大延長,影響計算分析效率,因而必須進行網(wǎng)格無關(guān)性分析。以前池水力損失作為泵站模型網(wǎng)格劃分無關(guān)性的特征參數(shù),分別計算得到前池水力損失隨網(wǎng)格數(shù)量的變化曲線,見圖2。從圖2中可以看到,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,前池水力損失呈先增大后逐漸穩(wěn)定的變化特征,當網(wǎng)格數(shù)量>200×104個時,前池水力損失為0.021 5 m,之后便不再隨網(wǎng)格數(shù)量的變化而變化。因此,本文劃分的網(wǎng)格數(shù)量為202×104個具有無關(guān)性。
圖2 前池水力損失隨網(wǎng)格數(shù)量變化
為了更全面地了解各種工況下泵站進水口的漩渦特性,設(shè)計0.8、1和1.2 m3/s這3種不同流量,每種流量下進水口淹沒深度分別為-0.1、0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 m。以1#機組進水口為研究對象,在每種工況下,從上往下選取表面層、進水口頂板、進水口頂板以下0.2 m共3個水平斷面進行漩渦分析。
不同工況下渦量隨水位的變化關(guān)系見圖3。
圖3 不同工況下渦量隨水位變化特征曲線
從圖3中可知,當淹沒深度為-0.1和0 m時,隨著水位的上升,渦量值逐漸增大;當淹沒深度≥0.1 m后,隨著水位上升,渦量呈先增大后減小的變化特征,最大渦量值出現(xiàn)在水位1.2 m處。這說明在水位較淺的表層區(qū)域,渦流強度隨著水深增大而逐漸增大,渦流強度在頂板附近達到最大值;此后隨著水深增加,渦流強度逐漸減小,這主要是因為當泵站存在淹沒深度時,在進水口處就會形成死水區(qū)域,當外面流水進入這些死水區(qū)域后,會造成這個區(qū)域水流流速紊亂,表面層作為水體跟空氣的交界面,在交界面處存在明顯的剪切作用,并跟隨水體深度生不斷的能量交換,當來流運動到隔墩附近時就會出現(xiàn)脫流現(xiàn)象,從而導致在交界面出現(xiàn)角動量,為渦流的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件;當水位達到一定深度后,此時渦量耗散能量逐漸大于積累的能量,因而渦量值會逐漸減低。
不同流量下渦核區(qū)域渦量值見表1。從表1中可以看到,當流量一定時,統(tǒng)一淹沒深度下,進水口頂板處的渦量值最大,其次為進水口頂板以下0.2 m,最小的為表面層處,這與上文分析結(jié)果一致;在同一位置處,隨著淹沒深度的增加,渦量值呈先增大后減小的變化特征,最大渦量值出現(xiàn)在淹沒深度為0.5 m時,這說明在淹沒深度為0.5 m時,泵站進水口死水區(qū)域更容易形成渦流并有利于渦流的持續(xù)發(fā)展。對比相同位置和淹沒深度下的不同流量的渦量值可以發(fā)現(xiàn),隨著流量的增大,渦量最大值逐漸增大,這是因為流量越大,水的流速越大,動能越大,漩渦強度越大,因而渦量值也越大。
表1 不同工況渦量值與流量的關(guān)系
不同工況下最大渦量值隨淹沒深度的變化關(guān)系見圖4。從圖4中可以看到,相同流量下,當淹沒深度小于0.5 m時,隨著淹沒深度的增加,泵站進水口處的最大渦量值逐漸增大;當淹沒深度大于0.5 m時,最大渦量值隨著淹沒深度的增加逐漸減小,最大渦量值出現(xiàn)在淹沒深度0.5 m處,隨著流量的增大,最大渦量值也逐漸增大,當泵站進水口寬高比一定時,存在臨界淹沒深度,當淹沒深度達到這一數(shù)值時,進水口將發(fā)生較為嚴重的漩渦現(xiàn)象。
圖4 不同工況最大渦量值與淹沒深度的關(guān)系
通過以上分析可知,泵站進水口漩渦與流量和淹沒深度息息相關(guān),特別是淹沒深度對渦量值的影響最為明顯;在不同的流量下,最大渦量值均出現(xiàn)在流道頂板區(qū)域附近,且當淹沒深度為0.5 m時,渦量值最大。從理論上講,為了減小漩渦對泵站進水口水力特性的影響,應(yīng)將淹沒深度設(shè)置為小于0.5 m或者大于0.5 m,但是當淹沒深度小于0.5 m時,泵站進水口處的流速分布又會變得異常紊亂、極不均勻;當淹沒深度為0.9 m左右時,流速分布最為均勻,因此從改善流速分布和減小渦量綜合考慮,將淹沒深度設(shè)置為0.9 m最為合適。
采用數(shù)值模擬方式,對不同流量和淹沒深度下的泵站進水口漩渦水力特性進行分析,結(jié)論如下:
1) 淹沒深度一定時,不同流量工況下,最大渦量值均出現(xiàn)在流道頂板附近區(qū)域;隨著流量的增加,漩渦值逐漸增大。
2) 流量一定時,隨著淹沒深度的增加,最大渦量值呈先增大后減小的變化特征;當淹沒深度為0.5 m時,渦量值最大。
3) 從流速分布均勻性和控制渦量大小綜合考慮,認為淹沒深度設(shè)置為0.9 m時,泵站進水口水力特性最佳。
4) 受限于研究數(shù)據(jù)和資料的不足,本文僅對流量和淹沒深度兩個因素進行了模擬分析,關(guān)于其他因素的綜合影響還需要在今后做進一步研究。