高傳昌， 解克宇， 黃丹， 劉新陽， 李鄭淼

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

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不同水位對泵站進水池流態(tài)影響的數(shù)值模擬

高傳昌， 解克宇， 黃丹， 劉新陽， 李鄭淼

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

摘要：采用Volume of Fluid(VOF)模型對田山泵站進水池進行了三維流場計算，分析了不同水位及開機組合情況下泵站進水池的水流流態(tài).研究發(fā)現(xiàn)：泵站低水位運行時，由于淹沒深度較小，進水池水面存在較為劇烈的波動；進水池中水流流態(tài)發(fā)生惡化，出現(xiàn)了水面旋渦和水中旋渦；在附底渦和進水池兩側附壁渦的共同作用下，進水喇叭口正下方存在劇烈的旋渦，對機組的水力性能產(chǎn)生嚴重的影響.

關鍵詞：泵站；水位；旋渦；流態(tài)；VOF模型

進水池是水泵直接從中取水的水工建筑物，其水流的流態(tài)對水泵的進水性能具有顯著的影響.如果進水池內水流紊亂，出現(xiàn)旋渦，不僅會降低水泵的取水效率，甚至會引起機組汽蝕、振動而無法工作[1].在實際工程中，進水池的布置應滿足水流順暢、流速均勻、池內流態(tài)良好、不出現(xiàn)吸氣旋渦和旋流的要求，保證水泵有著良好的吸水條件.因此,需要對泵站進水池進行流動計算，對進水池的流態(tài)進行研究，并改善泵站進水池的流態(tài)，保證水泵安全、高效地運行[2-3].

田山泵站位于山東省平陰縣城北，從黃河取水，以供城市用水和灌溉用水，安裝了12臺軸流泵(含4臺備用)，設計提水能力24 m3/s，設計揚程7.7 m，裝機容量2 520 kW.該泵站于1971年建成并投入使用.2009年，泵站采用了非連續(xù)底坎、非連續(xù)挑流消能坎和壓水板3種整流措施相結合的整流方式(其中非連續(xù)底坎、非連續(xù)挑流消能坎交錯布置)，對由于控制閘門開度形成的淹沒射流而導致的水流紊亂、流態(tài)惡化等情況進行了改造，取得了良好的效果[4].然而，由于近年來黃河水位進一步下降，泵站長時間處于低水位運行，引起了前池和進水池的流態(tài)惡化，導致水泵進水喇叭口和葉輪產(chǎn)生汽蝕，在檢修時發(fā)現(xiàn)在水泵葉片的外邊緣出現(xiàn)了斷裂和蜂窩狀凹坑.為探究低水位時進水池流態(tài)的變化情況及出現(xiàn)上述問題的原因，針對泵站低水位運行時水面波動較劇烈的現(xiàn)象，本文采用更接近實際情況的Volume of Fluid(VOF)模型[5]對進水池的流態(tài)進行三維流場計算研究，以期對泵站進水池的改造提供技術依據(jù).

1數(shù)學模型

由于田山泵站中引水的含沙量低于5%，屬于低濃度兩相流的范疇，可以忽略泥沙對水流的影響[6]，且考慮水位隨時間的變化情況，所以計算時采用VOF模型進行非定常數(shù)值模擬.

VOF模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的容積比來模擬流體的運動.在每一個計算單元中，所有相的體積分數(shù)的和為1,設第q相的體積分數(shù)為αq.計算只有水和空氣2相，設控制單元中水相的體積分數(shù)為α1，空氣相的體積分數(shù)為α2，則有：

α1ρ1+α2ρ2=ρ,

(1)

α1+α2=1.

(2)

式中:ρ為混合流體的密度;α1、α2分別為第1相和第2相的體積分數(shù)；ρ1、ρ2分別為第1相和第2相的密度.

連續(xù)性方程：

(3)

動量方程：

(4)

采用湍流黏性系數(shù)法使動量方程封閉：

(5)

采用RNGk-ε湍流模型使動量方程封閉，對應的湍動能k和耗散率ε的計算方程式如下：

(6)

(7)

式中各項符號的具體含義見文獻[7].

2物理模型及邊界條件

2.1　計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

田山一級泵站有防洪進水閘、前池、機房、壓力水池等組成.總體布置為：沿黃河河岸線布置6孔防洪進水閘，正常設計水位34.3 m，最低水位33.7 m，閘底板高程31.0 m，防洪堤高程42.0 m；進水角度90°；防洪進水閘后接前池，長10.2 m，前池后接機房；機房與防洪進水閘平行，分上、下2層，下層為水泵進水室，上層為電動機房；2個水泵室合用1孔防洪進水閘，機房后部有水泵出水管與壓力水池連接.計算區(qū)域包括1孔防洪進水閘之后的2個進水池，且為更好地反映出進水池整體來流條件及水力特性，計算區(qū)域包含了前池(包括挑流坎和底坎)，具體結構如圖1所示.

為了減小計算量，并滿足計算精度要求，將模型劃分為多個區(qū)域.規(guī)則區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，個別不規(guī)則區(qū)域采用混合網(wǎng)格,進水喇叭口與進水管附近網(wǎng)格局部加密，模型總網(wǎng)格數(shù)量約為300萬個，如圖2所示.

圖1　前池和進水池結構及分析截面示意圖

圖2　計算網(wǎng)格示意圖

2.2　邊界條件和算法

進、出口邊界條件均采用速度進口邊界，且假定速度均勻分布，速度大小由流量和進口面積決定.進水池和前池為開敞式，水面設置為壓力進口邊界，其大小為1個標準大氣壓.壁面采用標準壁面函數(shù)法處理.進口選擇3個水位：33.2、33.0、32.8 m.開機組合分為單泵和雙泵，單泵流量為7 000 m3/h.

采用非定常RNGk-ε模型計算；采用有限體積法對瞬態(tài)相進行離散；壓力和速度耦合采用SIMPLE算法求解；速度、湍動能等方程對流項離散均采用二階迎風格式，時間格式為二階隱式格式.在各速度進口邊界的流量穩(wěn)定且各個監(jiān)控點的流速不再變化時，即可認為流場接近于長時間運行的穩(wěn)定狀態(tài).

3計算結果及分析

3.1　水面動態(tài)過程分析

泵站低水位運行時，淹沒深度減小.開泵之后到機組正常運行時，水面出現(xiàn)波動.雙泵運行時水流流速增大，水面波動也較單泵更大.限于篇幅，這里僅給出了單泵運行情況下水位為33.2 m和32.8 m時進水管中心線(x=2 150 mm剖面)的水面動態(tài)高程云圖,分別如圖3和圖4所示.從圖3和圖4可以看出:T=20 s之前，進水池水位波動較為明顯；T=20 s之后，進水池水面趨于平穩(wěn)；T=60 s時，水泵進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，水面波動消失；32.8 m水位的淹沒深度較33.2 m水位的更小，其水面波動也更劇烈.

圖3　水位33.2 m時進水管中心線的水面動態(tài)高程云圖

圖4　水位33.8 m時進水管中心線的水面動態(tài)高程云圖

3.2　水面流態(tài)分析

右側進水池在單泵和雙泵運行情況下(不同水位)的水面流態(tài)矢量分別如圖5和圖6所示.可以看出：雖然雙泵開啟時的水面波動較單泵劇烈，但穩(wěn)定運行之后的水面流態(tài)大致相同；33.2 m水位時沒有出現(xiàn)表面旋渦，其余2個水位時均出現(xiàn)了不同程度的表面旋渦，且旋渦主要分布在進水管周圍.這是由于當進水管口淹沒深度較小時，流量沒有發(fā)生變化，造成池中表層水流流速增大，水流紊亂，較易在進水池中后部出現(xiàn)表面旋渦.

圖5　單泵運行時的水面流態(tài)矢量圖

圖6　雙泵運行時的水面流態(tài)矢量圖

3.3　y剖面流態(tài)分析

剖面分析主要是分析在低水位條件下水中旋渦的位置、類型.模擬中發(fā)現(xiàn)，在各個水位及開機組合情況下均出現(xiàn)水中旋渦，且旋渦的類型和位置相似.現(xiàn)就水位33.0 m、單泵運行情況進行剖面分析.

y=1 500 mm剖面距水面0.6 m，y=1 000 mm剖面為進水喇叭口所在平面，y=500 mm剖面為進水喇叭口和池底之間的中面，y=0 mm為進水池底所在的平面.各剖面的速度矢量如圖7所示.從圖7中可以看出：y=1 500 mm剖面存在著水中旋渦，主要分布在進水管的周圍，尤以進水管到進水池后墻之間最多；y=1 000 mm剖面中進水管到后墻之間的旋渦消失，進水管前方的旋渦仍然存在；y=500 mm、y=0 mm剖面位于喇叭口的下方，在喇叭口的正下方出現(xiàn)了水中旋渦和附底渦，該旋渦引起了喇叭口內的流速分布不均，使葉輪葉片外緣壓力降低，最終產(chǎn)生嚴重汽蝕，葉片出現(xiàn)蜂窩狀凹坑和斷裂.

圖7　進水池y剖面速度矢量圖

3.4　x剖面流態(tài)分析

x=0 mm剖面為進水管道中心線所在平面，x=650 mm剖面為進水喇叭口右側邊線所在平面，x=1 250 mm剖面為進水喇叭口和右側邊壁之間的中面，x=1 650 mm為進水右側邊壁所在的平面.各剖面的速度矢量如圖8所示.

圖8　進水池x剖面速度矢量圖

從圖8中可以看出：進水管的中心剖面(x=0 mm)沒有出現(xiàn)旋渦；在其余3個剖面均出現(xiàn)了旋渦，且旋渦位置基本處于與來流方向垂直的同一條直線上，可認為是同一旋渦；邊壁處出現(xiàn)一大一小2處附壁旋渦，原因是進水池邊壁處的水流存在著較大的流速梯度和水流分離現(xiàn)象，但隨著離邊壁距離的增加，旋渦逐漸減小，在進水喇叭口的下方時，小旋渦消失，大旋渦仍然存在并延伸到進水管內部.

4結語

本文運用VOF模型對田山泵站前池和進水池進行了三維流場計算，分析了在不同水位及開機組合時的進水池的流態(tài)，得到了以下結論：

1)在各工況下，由于進水池淹沒深度偏小，進水池前端水流流速分布不均，泵開啟之后的水面都存在著波動，水位越低，波動越劇烈；相同水位下，雙泵開啟時的水面波動比單泵大.

2)33.2 m水位時的淹沒深度較其他2個水位的深，其水面流態(tài)相對平緩，沒有出現(xiàn)水面旋渦；33.0 m水位和32.8 m水位時則出現(xiàn)了水面旋渦.

3)進水池兩側邊壁均存在附壁旋渦，該旋渦一直延伸到喇叭口內；單泵運行時的進水池池底旋渦大于雙泵運行時的池底旋渦，且該旋渦正對喇叭口下方并延伸到喇叭口內；進水管至進水池后墻之間存在旋渦，但后墻無附壁旋渦；在附壁旋渦和池底旋渦共同作用下，進水池池底至喇叭口之間存在較為劇烈的旋渦.

參考文獻

[1]欒鴻儒.水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,1993：216-217.

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[3]馬濤,樊紅剛,袁義發(fā),等.基于VOF模型的泵站進水池流場計算研究[J].水力發(fā)電學報,2013,32(6):244-255.

[4]高傳昌,劉新陽,石禮文,等.泵站前池與進水池整流方案數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學報,2011,30(2):54-59.

[5]Hirt C W,Nichols B D.Volume of Fluid(VOF)method for the dynamics of free boundaries[J].Journal of Computational Physics,1981(39):201-225.

[6]劉新陽,高傳昌,石禮文,等.泵站前池與進水池整流數(shù)值模擬[J].排灌機械工程學報,2010,28(3): 242-246.

[7]王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004:120-126.

(責任編輯：陳海濤)

Numerical Simulation on the Effect of the Different Water Level on

Flow State of Intake Sump of Pump Station

GAO Chuanchang， XIE Keyu， HUANG Dan， LIU Xinyang， LI Zhengmiao

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:The Volume of Fluid(VOF) model is used to conduct three-dimensional flow field calculation of intake sump of Tianshan pumping station, and the flow state of intake sump of pump station is analyzed under the condition of different water level and power combinations. The results show that: when pumping stations run at a low water level, since the submerged water depth decreases, there is more severe fluctuations on the water surface of the intake sump; furthermore, since water flow state in the intake sump occurs deterioration, there has been free surface vortex and vortex in water. Finally, in the joint action of bottom-attached vortex and sidewall-attached vortex, strong vortex appears just below the bell mouth, which will have a serious impact on the hydraulic performance of water pump set.

Keywords:pumping station; water level; vortex; flow state; numerical simulation; VOF model

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5634(2015)06-0010-05

中圖分類號：TV131

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.003

作者簡介：高傳昌(1957—)，男，河北邯鄲人，教授，博導，博士，主要從事水利水電工程方面的研究.

基金項目:國家自然科學基金項目(51309099)；水利部公益性行業(yè)專項(201201085)；華北水利水電大學創(chuàng)新計劃(HSCX2014118)；華北水利水電大學創(chuàng)新課題(YK2014-14).

收稿日期:2015-09-01