基于CFD數(shù)值模擬的閘站合建進(jìn)水池設(shè)計(jì)研究

張鴻偉

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

泵站進(jìn)水池是連接前池和水泵進(jìn)口的過渡段，其主要功能是給水泵提供良好的進(jìn)水流態(tài)[1]。當(dāng)進(jìn)水池中出現(xiàn)不良流態(tài)時(shí)，會(huì)明顯降低水泵的裝置效率，情況嚴(yán)重的甚至還會(huì)引起機(jī)組的氣蝕及振動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)組無法正常工作。目前對(duì)于灌排結(jié)合或自排與電排合建閘站的地基處理及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的研究成果較多[2- 4]，但對(duì)于從水流流態(tài)方面進(jìn)行進(jìn)水池設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究較少[5- 6]?？紤]到自排或引水功能，水利工程中目前使用最多的是開敞式矩形進(jìn)水池，這種結(jié)構(gòu)形式其底面高程、寬度、出口側(cè)末端的閘門受閘孔水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)限制，容易造成水泵進(jìn)口喇叭口懸空高度、側(cè)壁及后墻與喇叭管中心之間的距離達(dá)不到形成良好流態(tài)的要求，從而出現(xiàn)進(jìn)水池水流流態(tài)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

為消除水泵進(jìn)口旋渦，部分進(jìn)水池在水泵喇叭管下方設(shè)導(dǎo)水錐等構(gòu)筑物。但增加水泵的最小淹沒深度或設(shè)置較大的導(dǎo)水錐會(huì)占用涵閘自流時(shí)過水?dāng)嗝婷娣e和增加局部水頭損失，造成涵閘的過流能力下降，而加寬閘孔寬度又會(huì)增加工程投資。因此，有必要對(duì)自排與電排相結(jié)合閘站進(jìn)水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。本文以下溝電排站自排涵和電排站合建進(jìn)水池為例，應(yīng)用CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)分別對(duì)開敞式矩形進(jìn)水池有無消渦措施的混流泵裝置進(jìn)行3維數(shù)值模擬分析，研究不同的消渦措施對(duì)混流泵的裝置性能的影響，為類似工程的進(jìn)水建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 概況

1.1 工程概況

蕪湖市鳩江區(qū)下九連圩下溝站工程位于蕪湖市鳩江區(qū)上下九連圩內(nèi)無為大堤上，主要承擔(dān)大龍灣排區(qū)43.82km2的防洪排澇任務(wù)。工程排水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇最大24h暴雨地面不積水，電排設(shè)計(jì)排水流量為56m3/s；自排涵有枯水期排洪和改善水系水環(huán)境的排水要求，設(shè)計(jì)排水流量41.3m3/s。為減少長江大堤穿堤建筑物數(shù)量，按已批復(fù)規(guī)劃對(duì)下溝電排站重建工程排澇站和自排涵合并建設(shè)。

排區(qū)現(xiàn)狀主要為農(nóng)田，骨干排河大龍河寬度大約25m，近期排水流量為12.0m3/s；隨著江北新城大龍灣片區(qū)的開發(fā)建設(shè)和大龍河按規(guī)劃拓寬至80m，排區(qū)排水流量達(dá)到設(shè)計(jì)值。因此，需對(duì)電排站按照滿足近期和遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)排水流量相結(jié)合的原則設(shè)計(jì)。經(jīng)方案比選，結(jié)合自排閘與電排站合建方案，電排站共設(shè)7臺(tái)水泵機(jī)組，近期由3臺(tái)小泵機(jī)組排澇，遠(yuǎn)期聯(lián)合4臺(tái)大泵機(jī)組排澇。泵房共分3聯(lián)，兩側(cè)各聯(lián)分別安裝2臺(tái)葉輪直徑為1880mm立式混流泵(大泵機(jī)組)，中間聯(lián)結(jié)合自排涵閘孔寬度，安裝3臺(tái)葉輪直徑為1100mm立式混流水泵(小泵機(jī)組)，大泵機(jī)組單機(jī)設(shè)計(jì)流量為12.5m3/s，配套電機(jī)功率為1600kW；小泵機(jī)組單機(jī)設(shè)計(jì)流量為4.0m3/s，配套電機(jī)功率為500kW，電排站總裝機(jī)功率為7900kW。

1.2 進(jìn)水池方案設(shè)計(jì)

經(jīng)涵閘過流能力計(jì)算，擬定涵閘總凈寬12.00m，共3孔，單孔凈寬4.00m，底板面高程-2.30m，水泵出水側(cè)箱涵頂面高程1.50m，自排進(jìn)水池側(cè)設(shè)計(jì)水位4.00m。各閘孔安裝1臺(tái)1200HLB4- 7.9型立式半調(diào)節(jié)混流泵，單泵設(shè)計(jì)流量4.0m3/s，水泵進(jìn)口喇叭管直徑(D)1.60m，水泵中心距進(jìn)水池進(jìn)口10.30m，距后壁(自排涵閘鋼閘門)11.71m。按照滿足水泵最小淹沒深度要求確定水泵進(jìn)水喇叭口高程為0.20m(進(jìn)水池池寬為2.5D、喇叭管中心線與后墻的距離為6.69D、喇叭口中心的懸空高度為1.56D)，進(jìn)水池主要控制尺寸和喇叭口中心懸空高度等參數(shù)部分超出良好水力性能參數(shù)范圍[7]，進(jìn)水池內(nèi)容易出現(xiàn)旋渦等不良流態(tài)。

為減少進(jìn)水池內(nèi)消渦構(gòu)筑物對(duì)自排涵過流能力影響，應(yīng)盡量減少或不設(shè)消渦構(gòu)筑物；為改善進(jìn)水池水流流態(tài)，提高泵裝置效率應(yīng)設(shè)置消渦構(gòu)筑物。從自排涵過流能力、進(jìn)水池流態(tài)及泵裝置效率3個(gè)方面考慮，設(shè)計(jì)3種進(jìn)水池比選方案并在后續(xù)設(shè)計(jì)中采用CFD數(shù)值模擬進(jìn)行比選。

方案1：為盡量降低進(jìn)水池消渦構(gòu)筑物對(duì)自排涵閘過流能力的影響，對(duì)進(jìn)水池喇叭口處底部不做任何改變，方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 進(jìn)水池方案1

方案2：為改善進(jìn)水池流態(tài)，在喇叭口正下方設(shè)置傳統(tǒng)的鑄鐵導(dǎo)水錐，導(dǎo)水錐高度2.5m，底部直徑3.60m，導(dǎo)水錐順?biāo)鹘孛婷娣e2.39m2，方案結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 進(jìn)水池方案2

方案3：為改善進(jìn)水池流態(tài)和盡量降低消渦構(gòu)筑物截面面積，在喇叭口正下方順?biāo)鞣较蛟O(shè)置隔流墻，隔流墻長4.4m，高2.0m，下部寬0.4m，上部寬0.1m，呈線性變化，并在兩端進(jìn)行修圓，順?biāo)鹘孛婷娣e0.50m2，方案結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 進(jìn)水池方案3

2 數(shù)值模擬

CFD技術(shù)可以得到泵站內(nèi)任意位置的流動(dòng)細(xì)節(jié)如速度、壓力、能量損失、壓力脈動(dòng)、湍動(dòng)量和漩渦等，從而可進(jìn)行水泵裝置的特性預(yù)測(cè)及性能優(yōu)化[8]。因此，采用CFD對(duì)3個(gè)方案的進(jìn)出水流道內(nèi)的水流流態(tài)進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，并應(yīng)用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)進(jìn)水池水工設(shè)計(jì)方案的比選。

2.1 控制方程和計(jì)算方法

CFD計(jì)算控制方程為粘性流體力學(xué)的動(dòng)力學(xué)方程和湍流力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)方程。泵站開敞式進(jìn)水池內(nèi)水流的流動(dòng)屬于不可壓縮湍流流動(dòng)。湍流流動(dòng)具有高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，湍流中任何物理量總是隨時(shí)間和空間在脈動(dòng)的變化著。本文采用基于不可壓縮的非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)，以及基于渦團(tuán)黏性假設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型方程，利用相關(guān)軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算[9]。

2.2 計(jì)算物理區(qū)

以設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)的工況為分析對(duì)象。小泵機(jī)組水泵為1200HLB4- 7.9型立式半調(diào)節(jié)混流泵，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為4.0m3/s，進(jìn)水池寬為4.00m，底板面高程-2.30m，水深5.30m。進(jìn)水池計(jì)算物理區(qū)域包含進(jìn)水池、水泵進(jìn)口喇叭管等。為研究泵裝置效率，對(duì)水泵、出水管、出水流道等區(qū)域也進(jìn)行計(jì)算。

2.3 數(shù)值模擬邊界條件

計(jì)算模型的進(jìn)口斷面設(shè)置在垂直于水流方向的進(jìn)水池進(jìn)口處，計(jì)算斷面的水流為均勻流，計(jì)算進(jìn)口流速為0.19m/s。計(jì)算模型的出口斷面設(shè)置在垂直于水流方向的出水流道末端處，采用自由出流邊界條件。

3 進(jìn)水流道水力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于閘站合建的進(jìn)水池，其性能優(yōu)越的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容可表述如下：

(1)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理，池壁表面平順，在各工況下，池內(nèi)水流不產(chǎn)生渦帶或其它不良流態(tài)。

(2)進(jìn)水池的各斷面面積沿程變化應(yīng)盡可能的均勻，出口斷面處的平均流速設(shè)計(jì)值合理，水壓力較為均勻，能夠?qū)⑺髌巾樀貙?dǎo)入水泵的進(jìn)口，為水泵提供良好的進(jìn)水條件。

(3)盡量減少水力損失。

(4)盡量降低對(duì)自排涵自排的影響和滿足水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的要求[10]。

進(jìn)水池出口軸向流速分布均勻度：

(1)

入泵水流加權(quán)平均角：

(2)

式中，uti—水泵進(jìn)口斷面各單元的橫向速度，m/s。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為區(qū)分各方案的優(yōu)劣，對(duì)3種進(jìn)水池設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，在設(shè)計(jì)流量下對(duì)比并分析各方案的內(nèi)部流態(tài)[11- 12]。各方案的三維流線如圖4—6所示。限于篇幅，本文僅給出各方案中間剖面速度云圖，如圖7—9所示。

圖4 方案1三維流線

圖5 方案2三維流線

圖6 方案3三維流線

圖7 方案1中間剖面速度云圖

圖8 方案2中間剖面速度云圖

圖9 方案3中間剖面速度云圖

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)不同方案下進(jìn)水流道水力性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。

涵閘自排時(shí)，閘上水位4.00m，設(shè)計(jì)單孔過閘流量13.70m3/s，根據(jù)局部水頭損失計(jì)算公式和淹沒壓力流涵洞過流能力計(jì)算公式，計(jì)算得方案1閘下水位為3.79m。分別代入方案2導(dǎo)水錐參數(shù)和方案3隔流墻參數(shù)，算得閘上水頭局部損失和自排閘過閘能力影響計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同方案性能參數(shù)對(duì)照表

由上表可知，3種方案的泵裝置性能指標(biāo)均可以滿足設(shè)計(jì)要求。方案1無任何削渦措施，會(huì)引起池底附底渦和池中漩渦進(jìn)入水泵進(jìn)口，導(dǎo)致機(jī)組性能下降和產(chǎn)生水力振動(dòng)。但因進(jìn)水池中無其他構(gòu)筑物，不會(huì)引起構(gòu)筑物的局部水頭損失，對(duì)自排涵的自流功能無影響。

方案2性能指標(biāo)較方案1優(yōu)，在設(shè)計(jì)流量下，方案2的進(jìn)水流態(tài)較好，流道水力損失較小，泵裝置效率較方案1提高1.28%。但方案2同方案1一樣，水泵葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦進(jìn)入水泵進(jìn)口后，容易導(dǎo)致水泵機(jī)組產(chǎn)生水力振動(dòng)和性能下降。另外，方案2設(shè)置的導(dǎo)水錐占用自排涵過水?dāng)嗝婷娣e2.39m2，約占總過流面積的11.27%，排水能力較方案1降低10.88%，對(duì)自排涵的過流能力影響較大。

方案3性能指標(biāo)優(yōu)于方案1和方案2，水泵進(jìn)口處水流流態(tài)也更加均勻、平穩(wěn)，泵裝置效率最高，較方案1提高1.48%，較方案2提高0.20%。方案3中的隔流墻對(duì)池底的附底渦和池中的旋轉(zhuǎn)渦均有較好的消除和阻斷作用，同時(shí)該方案隔渦墻占用自排涵過水?dāng)嗝婷娣e0.50m2，約占總過流面積的2.36%，排水能力較方案1降低2.77%，基本不會(huì)對(duì)自排涵的過流能力產(chǎn)生影響。

因此，下溝電排站自排涵閘和小泵機(jī)組進(jìn)水池在最終的水工設(shè)計(jì)方案中推薦采用了方案3。

5 結(jié)語

(1)本文基于CFD的三維數(shù)值模擬分析和自排涵的過流能力進(jìn)行比較，最終選擇了水流流態(tài)好、水泵裝置效率最高、水頭損失最小和過流能力影響較小的方案3(即進(jìn)水池內(nèi)設(shè)隔流墻)。

(2)在閘站工程的進(jìn)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入CFD三維數(shù)值模擬等計(jì)算手段，可以在不具備物理模型試驗(yàn)條件或工期較緊的情況下，進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的比選，使設(shè)計(jì)方案更合理、經(jīng)濟(jì)。

(3)本文基于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)水池設(shè)計(jì)方案比選，為進(jìn)一步驗(yàn)證選定方案的優(yōu)越性，后續(xù)還需要進(jìn)行水工物理模型試驗(yàn)。同時(shí)，也希望未來有更多的水利工程做類似的研究和實(shí)踐，從而推動(dòng)水利工程設(shè)計(jì)和建設(shè)的發(fā)展。