彎道河段下游泵站進水前池流態(tài)及整流措施

江文　于建忠　傅宗甫　譚箐　陳月君

摘 要：為改善彎道水流在泵站前池引起的偏流、回流、吸氣旋渦等不良流態(tài)，基于FLUENT軟件，將雷諾時均N-S方程與RNC k-8雙方程紊流模型應(yīng)用于某實際工程側(cè)向進水泵站前池的三維數(shù)值模擬中，對比分析整流前后泵站前池及進水流道流態(tài)的流速、流線變化，并建立流速分布均勻度目標(biāo)函數(shù)，定量分析泵站進水流態(tài)的優(yōu)劣。結(jié)果表明：在前池增設(shè)復(fù)合式導(dǎo)流墩并延長導(dǎo)流墻能夠有效地調(diào)整彎道水流流向，減弱前池中的偏流和回流，提高水流的順直度與均勻度，改善泵站進水條件，提高樞紐運行的工作效率。

關(guān)鍵詞：泵站;彎道水流;側(cè)向進水;三維數(shù)值模擬：整流措施;流態(tài)

中圖分類號：TV61

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2019.04.018

當(dāng)不對稱閘站樞紐布置在彎道河段時，泵站為側(cè)向進水，此時不對稱水流及彎道水流的運動特性導(dǎo)致泵站前池易產(chǎn)生回流、橫向水流、旋渦等一系列不良流態(tài)。研究表明[1]，前池的不良流態(tài)會對泵站水力機組的運行產(chǎn)生極為不利的影響，致使水泵效率降低，嚴(yán)重時會造成機組振動，威脅樞紐安全運行。針對泵站前池流場特性，邢英薇[2]采用水深平均的二維水流方程對非對稱水流進行了計算，但不能很好地反映水流的三維特性：王芳芳等[3]采用RNG k-ε雙方程紊流模型封閉雷諾時均N-S方程對泵站前池流場進行了三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)流速不均勻分布會導(dǎo)致不良流態(tài)的產(chǎn)生。為獲得良好的進水條件，嚴(yán)忠民等[4]通過分析多座閘站合建工程物理模型試驗成果，提出在泵站前池設(shè)置導(dǎo)流墩可以有效改善回流、螺旋流等不良流態(tài)。此外，有關(guān)學(xué)者還研究了底坎[5]、壓水板[6]、立柱[7]等不同流態(tài)改善措施，導(dǎo)流墩因改善流態(tài)效果好而被廣泛應(yīng)用[8]。然而，已有研究主要集中在上游為順直河道的泵站，且主要分析了工程中典型“川”字形導(dǎo)流墩的整流效果，并未涉及復(fù)合式導(dǎo)流墩。隨著CFD的發(fā)展，越來越多的學(xué)者應(yīng)用數(shù)值模擬方法對泵站進水流態(tài)進行研究[9]。筆者以上游為彎道河段的某側(cè)向進水閘站樞紐為研究對象，基于FLUENT軟件，利用三維紊流數(shù)值模型，分析側(cè)向進水泵站前池的流態(tài)及其成因，并采用復(fù)合式導(dǎo)流墩探究適用于該類工程的整流措施。

1 泵站水動力數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 控制方程

泵站前池的水流流動屬于復(fù)雜的三維流動，可以采用雷諾時均方程來描述，在笛卡兒坐標(biāo)系下三維不可壓縮流體的控制方程如下。

連續(xù)方程表達式為

1.3 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

該樞紐上游為一彎道，樞紐中心線與彎道上游河道中心線夾角為530。閘站樞紐為不對稱布置，南側(cè)為一孔通航節(jié)制閘，西北側(cè)為一支流，北側(cè)為三孔排水泵站（順?biāo)鲝淖蟮接乙来螢?#、2#、3#），單泵設(shè)計流量為23.4 m3/s，取設(shè)計運行水位進行計算，即進水前池水位為3.55 m.運行時三泵全開。樞紐布置如圖1所示，坐標(biāo)原點位于泵站進水口門處，泵站出口水流沿x軸負向流動，y軸垂直于泵站出口水流方向，沿重力方向為z軸負向。模型計算區(qū)域取泵站前池彎道以上100 m，西側(cè)支流長100 m，泵站出水側(cè)按照進水流道的斷面進行延伸處理，延伸至90 m，節(jié)制閘處于關(guān)閉狀態(tài)。利用ICEM軟件對計算區(qū)域進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量100萬左右，模型計算區(qū)域及局部網(wǎng)格剖分見圖2。

1.4 數(shù)值方法和邊界條件

采用有限體積法得出離散方程，選用SIMPLEC算法進行計算。邊界條件：①進口，進口位置有兩個，一個為彎道主流進口，采用壓力出流邊界，另一個為西北向的支流進口，設(shè)置為速度人口邊界：②出口，采用速度邊界，給定負向流速;③自由液面，泵站前池自由水面波動較小，采用剛蓋假定方法處理;④邊壁，采用壁面函數(shù)法進行處理。模型邊界示意見圖3。

2 整流前泵站前池模擬結(jié)果與分析

支流流速很小，進入前池時受彎道來流壓迫，對泵站前池流態(tài)的影響可忽略不計，前池流態(tài)主要受彎道來流影響。圖4為無整流措施條件下的泵站前池流速等值線分布，可以看出主流進入前池后，表層流動慣性較大，水流不易轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致主流偏向右岸，單側(cè)流量集中，在3#水泵進水口門前產(chǎn)生明顯偏流，右岸流速范圍集中在1.1 - 1.3 m/s，而左岸流速范圍集中在0.1-0.3 m/s。圖5顯示前池存在兩處回流區(qū)，一處位于2#水泵進水口門前，尺度較小，最大寬度約3m、長度約16 m;另一處較大尺度的回流區(qū)位于左岸1#泵站進水口門前，最大寬度約6m、長23 m，從前池進口一直延伸至泵站進水口門。以上不良流態(tài)導(dǎo)致前池整體流速分布不均，易誘發(fā)水泵汽蝕和振動，致使機組運行效率下降，甚至無法工作。

前池流速分布均勻度直接決定了前池流態(tài)的優(yōu)劣，引入法向流速均勻度V-定量分析前池流態(tài)，計算前池底、中、表層法向流速分布的均勻程度，計算公

流速均勻度數(shù)值越接近100%.表示前池水流流速分布越均勻，流態(tài)越好。

提取泵站進水口門前x=3 m處的橫斷面B（見圖6）底、中、表層法向流速，計算得到底、中、表層流速均勻度分別為3l.9%、33.6%、16.7%，可知前池流速整體均勻度較低，表層流態(tài)尤其需要改善。

3 泵站前池整流措施

3.1“川”字形導(dǎo)流墩整流措施

3.1.1 布置形式

導(dǎo)流墩是工程上常用的一種導(dǎo)流建筑物，當(dāng)來流有明顯的主流方向時，常將其沿水流縱向布置，引導(dǎo)水流逐漸轉(zhuǎn)向泵站前池，均化水流。經(jīng)過多種方案比選，這里采用工程中常用的典型“川”字形導(dǎo)流墩，將其布置在前池進口處，導(dǎo)流墩為矩形，每個墩長4m、寬0.5m，具體布置如圖7所示。

3.1.2 前池模擬結(jié)果與分析

圖8為采用“川”字形導(dǎo)流墩后前池流速分布情況，可以看出水流經(jīng)過導(dǎo)流墩的調(diào)整后，在其后側(cè)產(chǎn)生一小范圍回流，消減了水流的一部分能量，水流得以更為平順地進入前池，右岸流速分布趨于均勻，流速范圍集中在0.8-1.1 m/s。圖9為整流后前池表層流速及流線分布，可以看出，前池回流現(xiàn)象得到改善，位于2#水泵進水口門前的回流區(qū)消失，但左岸1#水泵進水口門前仍存在一較大范圍的回流區(qū)，寬度約5m，長度為前池進口至泵站進水口門，同時右岸3#水泵前的偏流現(xiàn)象并未見調(diào)整，斜向進流狀況依舊嚴(yán)重。

提取整流后斷面B的底、中、表層法向流速計算均勻度，見表1。通過對比整流前、后均勻度發(fā)現(xiàn)，采用“川”字形導(dǎo)流墩整流措施后，表層流速均勻度提高了57%.中層與底層流速均勻度僅略有改善，總體而言，整流后泵站前池的流速分布均勻度變化不大，改善效果不理想。

3.2 復(fù)合式導(dǎo)流墩結(jié)合延長導(dǎo)流墻整流措施

在泵站前池布置典形的“川”字形導(dǎo)流墩能夠調(diào)整彎道來流方向，使前池水流流速分布趨于均勻，但總體均勻度提高較小，改善效果不佳，并且無法解決前池回流偏流的問題，未能使前池水流達到理想狀態(tài)。在“川”字形導(dǎo)流墩的基礎(chǔ)上，將矩形導(dǎo)流墩的頭部改為圓弧曲線，組成由直線段加曲線段的復(fù)合式導(dǎo)流墩，直線段長4m.圓弧半徑為0.25 m，布置在前池進口處，如圖10所示。傅宗甫等[10]研究表明，閘站結(jié)合部導(dǎo)流墻的長度對回流有很大的影響，在一定范圍內(nèi)，回流區(qū)隨導(dǎo)流墻長度的增大而逐漸減小，故將導(dǎo)流墻的長度向上游延伸6m，輔助消除不良流態(tài)。

圖11為整流后泵站前池流速分布，由于導(dǎo)流墩頭部為圓弧曲線，不僅起到引導(dǎo)水流轉(zhuǎn)向的作用，而且給水流提供了一個作用在導(dǎo)流墩側(cè)繞流的向心力，形成向心加速度，因此產(chǎn)生了一個向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的回流，有效地消耗了來流的一部分能量，減小流速，使水流能夠更加平緩地進入前池。左岸的水流遇到導(dǎo)流墩后，提前轉(zhuǎn)向進入前池，回流區(qū)得到來流的補充，范圍縮小，結(jié)合延長導(dǎo)流墻的作用.1#水泵進水口門前的回流區(qū)基本消失。右岸水流依靠導(dǎo)流墩后產(chǎn)生的回流，流向得到了很好調(diào)整，偏流現(xiàn)象得到明顯改善.3#水泵進水口門前斜向進流情況基本消失：同時，水流流經(jīng)導(dǎo)流墩后消耗了一部分能量，進入前池后的整體流速相比整流前小，大部分區(qū)域流速集中在0.7 -1.1m/s。從圖12可以看出，整流后前池流線均勻平順，不存在明顯的回流與偏流，進水流態(tài)良好。

對比整流前、后斷面B的底、中、表層法向流速均勻度（見表2）可見，整流后前池水流重新調(diào)整，前池底、中、表層流速均勻度都有了明顯提高，尤其是表層流速提高較多，泵站進水條件有了較大改善。

4 泵站來流條件分析

為了比較前池流態(tài)對泵站進水流道的影響，取泵站進水口門后2m斷面C（見圖13），分析各流道的速度等值線分布，同時計算各流道的法向流速均勻度。

圖14為整流前、后泵站各流道法向流速等值線分布，可知整流前大部分區(qū)域流速集中在-1.0 - -0.2m/s，整流后集中在-0.9 -0.6 m/s，斷面整體流速減小。整流前1#與3#流道主流偏向右側(cè)，整流后主流居中，偏流現(xiàn)象得到明顯改善。對比整流前、后的法向流速均勻度（見表3）可知，整流后1#與2#流道法向流速均勻度均提高了20%以上?？傮w上，采用復(fù)合式導(dǎo)流墩措施整流后泵站進水條件得到極大地改善，水泵進水流態(tài)良好，能夠滿足樞紐高效運行的要求。

5 結(jié)論

（1）布置于彎道河段的閘站樞紐，由于彎道水流的流動特性，水流進入前池后未能及時轉(zhuǎn)向，因此泵站前池出現(xiàn)嚴(yán)重偏流和大尺度回流，前池及泵站流道水流流速分布不均勻，泵站進水條件惡劣，不利于泵站的安全運行。

（2）利用數(shù)值模擬軟件，初步模擬了彎道河段泵站前池的水流流態(tài)，并采用工程中常用的“川”字形導(dǎo)流墩與新型復(fù)合式導(dǎo)流墩改善流態(tài)，通過對比整流前后進水前池的流態(tài)、流速、流線，定量分析了前池和泵站水流流速的均勻度，初步驗證了復(fù)合式導(dǎo)流墩整流措施能夠有效地消除彎道河段泵站前池內(nèi)的回流、偏流等不良流態(tài)，提高流速分布均勻程度，保證泵站進水水流平順，流態(tài)良好，可為類似工程提供參考。

（3）復(fù)合式導(dǎo)流墩整流措施的應(yīng)用僅停留在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，并未采用物理模型的方法進行分析，在未來的工作中仍需進一步探究。

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