泵閘聯(lián)合體中雙向引排水泵站進(jìn)水系統(tǒng)的水力優(yōu)化研究

摘要：為了改善側(cè)向進(jìn)流式泵站前池內(nèi)的繞流和回流等不良流態(tài)，基于 RNG k-ε模型對(duì)泵閘聯(lián)合體泵站運(yùn)行的流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，提出適用于側(cè)向收縮進(jìn)流式泵站前池的整流措施。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：泵站前池內(nèi)存在由于側(cè)向收縮引起的繞流，并向下旋流在進(jìn)水池內(nèi)形成回流，致使泵站邊機(jī)組流道的軸向流速均勻度較低，進(jìn)流條件不佳。在進(jìn)流收縮區(qū)布設(shè)導(dǎo)流墩可有效改善繞流現(xiàn)象，抑制回流形成，提高進(jìn)流均勻性；通過對(duì)導(dǎo)流墩長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，并采取水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的整流效果。研究成果可為泵閘聯(lián)合體側(cè)向收縮進(jìn)流式泵站進(jìn)水系統(tǒng)的流態(tài)分析和水力優(yōu)化提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：泵閘聯(lián)合體；泵站進(jìn)水系統(tǒng)；水力優(yōu)化；計(jì)算流體力學(xué)；水工模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-9235（2024）06-0065-08

Hydraulic Optimization of Inflow System of Bidirectional Drainage Pumping Station in Pump-sluice Complex Engineering

XIAO Zhiqiao1， FEI Zhaodan2， QIAN Shangtuo3

（1. Shanghai Puhe Engineering Design Co.， Ltd.， Shanghai 200333， China;2. Institute of Water Science and Technology， HohaiUniversity， Nanjing 211100， China;3. College of Agricultural Science and Engineering， Hohai University， Nanjing 211100， China）

Abstract： To improve the adverse flow pattern such as circling and recirculation in the lateral forebay of the lateral inflow pumping station， numerous simulations of the flow during the operation of the pumping station in the pump-sluice complex engineering were conducted based on the RNG k-ε model， and the rectification measures for the lateral forebay of the lateral contraction inflow pumping station were proposed. The numerical results indicate that： the circling flow occurred in the forebay due to the effect of lateral contraction， resulting in recirculation flow forming in the suction sump due to the combination of circling flow and downward swirling flow. This leads to a lower axial-flow uniformity in the flow channels of the pumping station， indicating a poor inflow condition. Diversion piers in the inflow contraction area can effectively improve the flow pattern， inhibit the formation of recirculation flow， and increase the uniformity of inflow. The length of the diversion pier was optimized and the rectification of the optimized scheme was verified by the hydraulic model test. The research results can provide technical references for the flow analysis and optimization of the lateral inflow system of the pumping station in the pump-sluice complex engineering.

Keywords： pump-sluice complex engineering; inflow system of the pumping station; hydraulic optimization; computational fluid dynamics; hydraulic model test

平原地區(qū)河網(wǎng)交錯(cuò)，為開發(fā)和利用水資源，經(jīng)常在靠近主干河道的支流口門上修建水閘和泵站等建筑物，一般采用水閘與泵站組合方式，稱為泵閘聯(lián)合體［1-2］。泵閘聯(lián)合體在低潮位時(shí)采用水閘自排，高潮位時(shí)采用泵站強(qiáng)排水［3］。泵閘聯(lián)合體中泵站和水閘共用進(jìn)出水流道，相對(duì)于分建工程減少了占地面積和工程量，降低了工程造價(jià)，因而得到廣泛應(yīng)用［4-6］。泵閘聯(lián)合體中的流道共用，使得其流道寬度遠(yuǎn)比單獨(dú)的泵站或水閘來得大。當(dāng)泵站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，泵站進(jìn)水池主流寬度小于實(shí)際的泵閘聯(lián)合體流道寬度，水流難以在較短距離內(nèi)通過自身調(diào)整而充分收縮，將在上游形成較大范圍的回流和偏流等惡劣流態(tài)。尤其當(dāng)泵閘聯(lián)合體的泵站需要實(shí)現(xiàn)雙向引排水時(shí)，進(jìn)出水流動(dòng)更為復(fù)雜。因此，研究泵閘聯(lián)合體雙向運(yùn)行泵站進(jìn)/出水系統(tǒng)的水力特性，探索有效的整流措施改善泵閘聯(lián)合體泵站運(yùn)行時(shí)的流態(tài)，對(duì)保證實(shí)際工程安全運(yùn)行具有重要意義［7-9］。

目前，學(xué)者們針對(duì)泵閘聯(lián)合體泵站進(jìn)/出水流道流態(tài)及水流特性開展了大量研究。周楊等［10］對(duì)涵閘樞紐引水工況進(jìn)行了數(shù)值研究，認(rèn)為導(dǎo)流墻長(zhǎng)度對(duì)引航道區(qū)域的流速分布影響很大。馮建剛等［11］分析了某水源泵站前池流態(tài)以及產(chǎn)生不良流態(tài)的原因，提出了消渦板、非全段式底坎和八字形導(dǎo)流墩等改善不良進(jìn)水流態(tài)的工程措施，并對(duì)底坎和八字形導(dǎo)流墩措施進(jìn)行比較分析。成立等［12］探討了 Y 形導(dǎo)流墩的分流效果，通過在前池加設(shè) Y形導(dǎo)流墩可顯著改善流態(tài)，并對(duì) Y形導(dǎo)流墩的位置、長(zhǎng)度等參數(shù)給出了建議值。張睿等［13］、李志祥等［14］通過數(shù)值模擬分析了泵站進(jìn)水系統(tǒng)的水流流態(tài)和流道配水的均勻性，針對(duì)泵站進(jìn)水系統(tǒng)流量分配不均提出組合式整流措施。資丹等［15］采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了八字型導(dǎo)流墩、川字型導(dǎo)流墩和十字型消渦板相結(jié)合的組合式整流措施，發(fā)現(xiàn)該組合式整流措施減弱前池大尺度表面旋渦，提高了水流均勻性。羅燦等［16］分析了小型閘站式側(cè)向進(jìn)水泵站進(jìn)水流態(tài)，對(duì)比不同整流措施效果，以泵前縱剖面軸向速度分布均勻度、速度加權(quán)平均角和軸向平均流速為優(yōu)化目標(biāo)，確定了合適的整流措施。上述研究大多都是對(duì)單獨(dú)的泵站進(jìn)水系統(tǒng)進(jìn)行分析，本文的泵閘聯(lián)合體的泵站運(yùn)行為雙向運(yùn)行，具有獨(dú)特性，且研究成果較少。

本文通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對(duì)泵閘聯(lián)合體中雙向引排水泵站運(yùn)行時(shí)的流態(tài)進(jìn)行分析并開展水力優(yōu)化研究。通過數(shù)值模擬對(duì)泵站初步設(shè)計(jì)方案在排水和引水工況運(yùn)行的進(jìn)水系統(tǒng)的流態(tài)進(jìn)行分析，針對(duì)初步設(shè)計(jì)方案中存在的不良流態(tài)進(jìn)行水力優(yōu)化；采取布設(shè)導(dǎo)流墩的方式來進(jìn)行整流研究，并通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證整流效果。研究所得成果可為泵閘聯(lián)合體側(cè)向收縮進(jìn)流式泵站進(jìn)水系統(tǒng)的流態(tài)分析與優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1計(jì)算模型

1.1模型構(gòu)建

圖1所示為某泵閘聯(lián)合體工程的初步設(shè)計(jì)方案平面，泵閘聯(lián)合體的主要計(jì)算域包括了內(nèi)河部分河道、泵站、節(jié)制閘、套閘、外河部分河道。其中，泵站位于河道左側(cè)（順?biāo)鞣较颍?，順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)為234.00 m，設(shè)3臺(tái)雙向潛水貫流泵，安裝高程為-2.00 m，單機(jī)流量為13.33 m3/s，主要包括泵房、前池、進(jìn)出水池、海漫段等；套閘位于河道右側(cè)（順?biāo)鞣较颍?，順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)為234.00 m，主要包括內(nèi)外閘首、內(nèi)外河消力池、內(nèi)外河海漫段、內(nèi)外河防沖槽等；節(jié)制閘位于套閘與泵站之間，順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)為234.00 m，主要包括閘室、內(nèi)外河消力池、海漫及防沖槽等。泵站運(yùn)行時(shí)，套閘和節(jié)制閘關(guān)閉?；诖诉\(yùn)行策略，建立泵閘聯(lián)合體泵站運(yùn)行時(shí)的三維幾何模型，主要包括排水工況和引水工況的泵站進(jìn)水系統(tǒng)模型，見圖2。

1.2數(shù)值計(jì)算方法

泵閘聯(lián)合體的水流流態(tài)復(fù)雜，通常處于湍流狀態(tài)，容易產(chǎn)生回流、旋渦、二次流等不良流態(tài)。在泵站工程水力學(xué)中，k-ε模型被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究中［17-19］。基于 k-ε模型的 RNG k-ε模型則更多地考慮了湍流漩渦的影響［20-21］，可提高計(jì)算精度，因此選用 RNG k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格式，流場(chǎng)求解采用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法。

1.3邊界條件設(shè)定

泵閘聯(lián)合體泵站排水工況中，進(jìn)口為內(nèi)河河道側(cè)，設(shè)置為壓力進(jìn)口；出口為泵站進(jìn)水管，設(shè)置為均勻流速出口，流速為設(shè)計(jì)流量與進(jìn)水管橫截面積的比值；壁面設(shè)置為無滑移壁面。泵閘聯(lián)合體泵站引水工況中，進(jìn)口為外河河道側(cè)，設(shè)置為壓力進(jìn)口；出口為泵站出水管，設(shè)置為均勻流速出口，流速為設(shè)計(jì)流量與出水管橫截面積的比值；壁面設(shè)置為無滑移壁面，近壁面流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。

由于本泵閘聯(lián)合體寬度較大、河床平穩(wěn)，其河道內(nèi)和進(jìn)出水池的水面平穩(wěn)，波動(dòng)較小，因此基于剛蓋假定將自由水面設(shè)置為對(duì)稱面。本研究中，選取泵閘聯(lián)合體泵站運(yùn)行時(shí)的最不利水位進(jìn)行流態(tài)分析，其中排水工況時(shí)水位為2.50 m，引水工況時(shí)水位為1.58 m。

1.4網(wǎng)格劃分

泵閘聯(lián)合體的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于六面體網(wǎng)格的劃分，因此選用適應(yīng)性更好的四面體網(wǎng)格對(duì)三維幾何模型進(jìn)行劃分，并對(duì)泵站進(jìn)出水池等重點(diǎn)關(guān)注部位進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬的計(jì)算精度至關(guān)重要，有必要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)系分析。水力損失和流速是泵閘工程的重點(diǎn)關(guān)注因素，因此本研究選用前池和進(jìn)水池段的水力損失及進(jìn)水池進(jìn)口斷面的平均流速進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析。

針對(duì)排水引水2種工況，各選取4套方案對(duì)網(wǎng)格劃分策略進(jìn)行分析。表1所示為水力損失和平均流速隨網(wǎng)格數(shù)量的變化，結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過250萬（排水工況）、245萬（引水工況）時(shí)，誤差不超過1%，可認(rèn)為超過此數(shù)量的網(wǎng)格方案滿足計(jì)算分析要求。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，本研究選取的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為255.11萬（排水工況）、247.16萬（引水工況），并且基于此網(wǎng)格劃分策略進(jìn)行水力優(yōu)化方案，不再進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格無關(guān)性分析。此數(shù)量下的網(wǎng)格劃分策略見圖3。

1.5數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算通過模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算準(zhǔn)確度驗(yàn)證。泵閘聯(lián)合體水工模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型線性比尺λL =25，建筑物采用透明有機(jī)玻璃制作。圖4a、4b分別為排水和引水工況的流態(tài)對(duì)比。試驗(yàn)觀測(cè)（左）和數(shù)值模擬（右）的流態(tài)相似，可認(rèn)定本數(shù)值模擬可準(zhǔn)確模擬出泵閘聯(lián)合體泵站運(yùn)行時(shí)的流態(tài)，具有可靠性。

2初步設(shè)計(jì)方案的流態(tài)分析

2.1排水工況

圖5所示為排水工況時(shí)進(jìn)水系統(tǒng)的流態(tài)。受到河道進(jìn)流偏移的影響，泵站前池內(nèi)存在明顯的回流區(qū)，主要集中于靠近節(jié)制閘側(cè)的3號(hào)流道上游（圖5a），隨著水流前進(jìn)，當(dāng)從前池下坡進(jìn)入進(jìn)水池后，回流區(qū)域擴(kuò)大（圖5b）。這是由于水流自開闊的河道偏移進(jìn)入泵站前池時(shí)，受到側(cè)向收縮的影響，靠近套閘側(cè)的水流產(chǎn)生水流集中現(xiàn)象，并最終形成回流。此外，由于前池底的高程要高于進(jìn)水池底，水流向下旋滾進(jìn)入進(jìn)水池，導(dǎo)致前池內(nèi)的不良流態(tài)惡化，并蔓延至進(jìn)水池中，形成了較大尺度的回流區(qū)域。

圖6所示為3條進(jìn)水流道進(jìn)口斷面的軸向流速分布云圖，3條流道進(jìn)口斷面的流速均為正值，即與主流方向相同，并且均呈現(xiàn)頂部流速偏大的分布，這是由于流道高程較低導(dǎo)致的，并且可見3號(hào)流道斷面頂部的流速較1號(hào)和2號(hào)流道偏大。為了更好地對(duì)比泵站進(jìn)流條件的優(yōu)劣，采用軸向流速均勻度 Vu 對(duì)進(jìn)流條件進(jìn)行定量評(píng)價(jià)［22］，軸向均勻度見式（1）：

Vu =（1-）×100%（1）

式中： a 為平均軸向流速；uai為第i個(gè)單元的軸向流速；m 為斷面總單元數(shù)。軸向流速分布越均勻，Vu 越接近于100%。

經(jīng)計(jì)算分析，1—3號(hào)流道進(jìn)口斷面的軸向流速均勻度分別為83.10%、87.26%、77.27%。總體來看，排水工況1、2號(hào)流道的進(jìn)流條件較好，均勻度可達(dá)80%以上，而3號(hào)流道受到回流區(qū)的影響，導(dǎo)致流道進(jìn)口的流速均勻性不良，影響了正常進(jìn)流。

2.2引水工況

圖7所示為引水工況進(jìn)水系統(tǒng)水平斷面的流態(tài)。相較排水工況的流態(tài)，引水工況由于節(jié)制閘與套閘之間的分隔墩較長(zhǎng)，導(dǎo)致河道主流的偏流程度降低，水流擠壓程度減弱，在套閘側(cè)無明顯的回流區(qū)，但是從圖7b 中仍可見套閘上游部分水流繞流進(jìn)入2號(hào)流道，這是主流受擠壓和向下流動(dòng)共同導(dǎo)致的結(jié)果。

圖8所示為3條出水流道出口斷面的流速分布云圖。在引水工況下，出水流道具有進(jìn)流作用，此時(shí)的出口斷面為水流進(jìn)入流道的進(jìn)口斷面。受到工作閘門和事故檢修閘門之間存在滯水區(qū)的影響，引水工況的進(jìn)口斷面的頂部存在明顯的負(fù)流速區(qū)，導(dǎo)致軸向流速均勻度整體偏小。經(jīng)計(jì)算分析，1—3號(hào)流道出口斷面的軸向流速均勻度分別為64.10%、62.68%、64.95%，其中，2號(hào)流道受到偏移進(jìn)流的影響，導(dǎo)致軸向流速均勻度偏小。

3整流措施研究

3.1整流方案設(shè)計(jì)

為了改善3號(hào)流道在排水和引水2種工況下的偏移進(jìn)流條件，提出在3號(hào)流道上游側(cè)增設(shè)導(dǎo)流墩的整流措施，通過對(duì)擠壓水流分流的方式改善進(jìn)流條件。對(duì)于每種工況，通過改變墩頭位置的方式共設(shè)計(jì)了3套方案進(jìn)行對(duì)比研究，導(dǎo)流墩結(jié)構(gòu)見圖9。

3.2整流措施效果分析

圖10所示為排水工況進(jìn)水池區(qū)域的流態(tài)對(duì)比，對(duì)比初步設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)流墩的整流效果明顯。整流方案 P1的導(dǎo)流墩墩頭與分隔墩墩頭持平，此時(shí)導(dǎo)流墩已呈現(xiàn)引流作用，部分水流自導(dǎo)流墩和分隔墩之間的流道流至進(jìn)水池內(nèi)，3號(hào)流道進(jìn)流流態(tài)得到一定的改善；與此同時(shí)，導(dǎo)流墩左側(cè)不可避免地產(chǎn)生低流速區(qū)域，并影響至貫流泵安裝高程。整流方案P2的導(dǎo)流墩墩頭超出分隔墩墩頭0.5 m，此時(shí)有更多的水流自導(dǎo)流墩和分隔墩之間的流道流進(jìn)進(jìn)水池內(nèi)，導(dǎo)流墩左側(cè)的低流速區(qū)域擴(kuò)大。整流方案 P3的導(dǎo)流墩墩頭超出分隔墩墩頭1.5 m，此時(shí)導(dǎo)流墩左側(cè)低流速區(qū)更大，導(dǎo)致2號(hào)流道進(jìn)流受到明顯影響。

三流道進(jìn)口斷面的軸向流速均勻度情況見表2。3種整流方案在3號(hào)流道的軸向流速均勻度相較初步設(shè)計(jì)方案具有一定程度的提升，均大于80%，整流方案 P2提升最大，為87.19%；2號(hào)流道相較初步設(shè)計(jì)方案有所下降，這是由于2號(hào)流道上游存在回流導(dǎo)致，但是影響作用有限，軸向流速均勻度仍然大于80%；1號(hào)流道的軸向流速均勻度與初步設(shè)計(jì)方案相似，即不受導(dǎo)流墩的整流效果影響。綜上，整流方案 P2的進(jìn)流均勻性最佳，故選用整流方案 P2作為排水工況的最終整流方案。

對(duì)于引水工況的流態(tài)，與排水工況類似，這里不再贅述。引水工況出口斷面的軸向流速均勻度見表3。相較初步設(shè)計(jì)方案和其他整流方案，整流方案 Y2在2、3號(hào)流道的軸向均勻度最高，并且在1號(hào)流道的軸向流速均勻度最高未明顯下降，即此方案的整流效果最佳，故選用整流方案 Y3作為引水工況的最終整流方案。

3.3整流方案驗(yàn)證

對(duì)最終整流方案實(shí)施水工模型試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證整流方案的有效性。圖11為排水和引水工況的模型試驗(yàn)流態(tài)，圖12為排水和引水工況的前池垂線平均流速曲線。結(jié)合圖11、12，最終整流方案的回流和繞流相較初步設(shè)計(jì)方案明顯改善，垂向平均流速分布亦更加均勻，即整流措施效果明顯，也再次驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

通過數(shù)值模擬研究和水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所得最終整流方案已滿足泵閘聯(lián)合體安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，可用作實(shí)際工程的最終設(shè)計(jì)方案。進(jìn)一步，基于不同的運(yùn)行水位，對(duì)導(dǎo)流墩的位置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)的水力優(yōu)化，可獲取最優(yōu)整流設(shè)計(jì)方案。本項(xiàng)目將在下一階段進(jìn)行相應(yīng)研究。

4結(jié)論

a）泵閘聯(lián)合體泵站獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，無論排水還是引水工況，受到來流側(cè)向收縮的影響，在分隔墩附近產(chǎn)生繞流和回流區(qū)，導(dǎo)致分隔墩處的進(jìn)水流道流態(tài)較差，流速分布不均。

b）對(duì)于排水工況，在回流區(qū)上游增設(shè)導(dǎo)流墩后，回流區(qū)域明顯收縮，進(jìn)流均勻性顯著提升，整流效果較好。將此整流方案布設(shè)于引水工況的進(jìn)水池中，可得類似的整流效果。

c）通過水工模型試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)流墩整流效果進(jìn)行了驗(yàn)證，導(dǎo)流墩整流措施可有效改善泵閘聯(lián)合體側(cè)向泵站進(jìn)流的擾流和回流現(xiàn)象，提高泵閘聯(lián)合體水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性，可保障泵站的安全高效運(yùn)行。

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