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      雙側(cè)向進(jìn)水泵站前池流態(tài)數(shù)值模擬研究

      2020-11-23 02:10:56祁衛(wèi)軍
      中國(guó)農(nóng)村水利水電 2020年11期
      關(guān)鍵詞:前池流態(tài)均勻度

      羅 燦,劉 浩,施 偉,成 立,祁衛(wèi)軍

      (1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009;2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司,南京 210001;3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司南京分公司,南京 211102)

      0 引 言

      側(cè)向進(jìn)水指前池來(lái)流方向與前池主流方向存在夾角,前池中容易形成回流、旋渦等不良流態(tài),難以創(chuàng)造出良好的水泵進(jìn)水條件[1]。針對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站前池和進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)部流態(tài),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已展開(kāi)了大量的研究工作。成立[2]、張雪[2]等采用數(shù)值模擬方法分析了導(dǎo)流墩在前池流態(tài)改善中的作用;趙苗苗[4]、徐波[5]、羅燦[6]等運(yùn)用CFD軟件研究了導(dǎo)流墩在閘站結(jié)合泵站前池中的整流效果;周濟(jì)人[7]、羅燦[8]等通過(guò)物理模型試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)在前池中設(shè)置底坎可以有效地改善流態(tài),并闡述了底坎的整流機(jī)理[9,10];夏臣智[11]等基于N-S方程和RNGk-ε湍流模型分析了單排方柱及其布置方式在泵站前池內(nèi)的整流效果,結(jié)果表明單排方柱的位置對(duì)前池內(nèi)流態(tài)改善有明顯影響。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),立柱和底坎均在前池流態(tài)改善中有良好的作用,但是對(duì)于立柱和底坎組合在前池內(nèi)的整流機(jī)理的研究較少。某泵站由新站和老站組成,均為側(cè)向進(jìn)水布置,針對(duì)該雙側(cè)向進(jìn)水泵站前池內(nèi)存在的不良流態(tài),本文提出了不同的導(dǎo)控措施,分別就各導(dǎo)控措施的流態(tài)改善效果展開(kāi)數(shù)值模擬分析,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,為改善同類側(cè)向進(jìn)水前池流態(tài)提供一定參考。

      1 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算方法

      1.1 控制方程

      泵站內(nèi)的流動(dòng)一般為高雷諾數(shù)的湍流運(yùn)動(dòng),采用RNGk-ε湍流模型和雷諾時(shí)均N-S方程描述該流動(dòng),其控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,即公式(1)和公式(2)。

      (1)

      (2)

      式中:ui分別為x、y、z方向的速度分量;p為壓力;ρ為流體密度;g為重力加速度;v為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);vt為紊動(dòng)黏性系數(shù)。

      1.2 計(jì)算域

      在UG9.0軟件中構(gòu)建了該泵站的三維流體域,按照水流的方向依次為引渠、前池、進(jìn)水池、出水管,圖中出水管包括水泵吸水喇叭管和出水直管。如圖1所示,斷面1-1為計(jì)算站前行近流速取值斷面,距進(jìn)水管中心線1.6D,圖2中B1=90D,B2=24.82D,B3=11.5D,其中D為水泵葉輪直徑為1 000 mm,各機(jī)組的站前行近流速取測(cè)速斷面上正對(duì)吸水管中心測(cè)線上的平均速度。

      圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Computational domains

      圖2 模型尺寸示意圖Fig.2 Model dimension

      1.3 邊界條件

      進(jìn)口設(shè)置在水流進(jìn)水處,為質(zhì)量流量進(jìn)口,進(jìn)口流量設(shè)置為22 500 kg/s;出口設(shè)置在進(jìn)水池內(nèi)出水管的出口側(cè),設(shè)為自由出流條件,參考?jí)毫? atm;前池液面為剛蓋假定,設(shè)為對(duì)稱邊界條件;計(jì)算域其余壁面皆為固體邊界,并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理;計(jì)算過(guò)程選用一階迎風(fēng)格式,收斂精度設(shè)置為10-4。

      1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性校核

      在ANSYS-mesh中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分別對(duì)引渠、進(jìn)水池和前池進(jìn)行網(wǎng)格離散,其中對(duì)新站進(jìn)水池和前池部分進(jìn)行網(wǎng)格加密,前池和進(jìn)水池邊壁設(shè)置邊界層,層數(shù)5層,增長(zhǎng)率1.2,圖3為網(wǎng)格劃分示意圖。

      圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Mesh generation

      網(wǎng)格的數(shù)量會(huì)影響到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,為此剖分了7組網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析,網(wǎng)格數(shù)分別為69.7、91.4、191、221、250、281和310 萬(wàn)個(gè),將總水力損失作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析的特征參數(shù),可采用公式(3)通過(guò)進(jìn)、出口的壓差來(lái)計(jì)算總水力損失:

      (3)

      式中:Δh為總水力損失;Pin為進(jìn)口處總壓強(qiáng),kPa;Pout為出口處總壓強(qiáng),kPa;ρ為水的密度,取1×103kg/m3;g為重力加速度,取9.8 m/s2。

      圖4為不同網(wǎng)格數(shù)量時(shí)的總水力損失,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)221 萬(wàn)時(shí),總水力損失無(wú)明顯變化,相對(duì)誤差控制在±2%以內(nèi)[12],網(wǎng)格數(shù)量可以滿足要求。

      圖4 不同網(wǎng)格方案時(shí)水力損失對(duì)比圖Fig.4 Comparison of hydraulic loss of different mesh schemes

      1.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

      為了對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,設(shè)計(jì)開(kāi)展了模型試驗(yàn)研究,對(duì)新站和老站同時(shí)運(yùn)行工況下的流動(dòng)特征進(jìn)行了捕捉,圖5中,從左到右依次為1~5號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口的軸向速度分布,單位為m/s,為了分析數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的誤差,采用平均量和離散特征量2個(gè)值來(lái)對(duì)誤差進(jìn)行分析,將圖5中各測(cè)線上的計(jì)算平均軸向速度和試驗(yàn)平均軸向速度求出,最后得到兩者之間的差值和相對(duì)誤差;接著通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差的大小來(lái)判定測(cè)點(diǎn)上的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果與平均量之間的差別,標(biāo)準(zhǔn)差越大,說(shuō)明結(jié)果相對(duì)于平均值的偏差越大,軸向速度分布越不均勻,標(biāo)準(zhǔn)差越小,說(shuō)明結(jié)果相對(duì)于平均值的偏差越小,軸向速度分布越均勻,5條測(cè)線上的計(jì)算平均軸向速度和試驗(yàn)平均軸向速度之間的相對(duì)誤差最大為6.90%,最小為3.31%,試驗(yàn)軸向速度標(biāo)準(zhǔn)差整體小于計(jì)算軸向速度標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)數(shù)值模擬得到的進(jìn)水池進(jìn)口的流速分布與模型試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致。

      圖5 進(jìn)水池進(jìn)口軸向速度分布圖Fig.5 Axial velocity distribution on the inlet of sump

      圖6可以看出數(shù)值模擬的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果[13,14]基本一致。這表明這種數(shù)值模擬方法是可靠的。

      圖6 站前平均行近流速分布圖Fig.6 Near-flow velocity distribution in the original scheme station

      2 運(yùn)行方案及導(dǎo)控措施

      2.1 運(yùn)行工況

      根據(jù)調(diào)水需求,該泵站分別在老站單獨(dú)運(yùn)行、新站單獨(dú)運(yùn)行、“老站+新站”同時(shí)運(yùn)行3種工況下運(yùn)行,分別記作工況一、工況二和工況三。圖7(a)為原方案在老站單獨(dú)運(yùn)行面層流態(tài)分布,老站進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)平順,無(wú)回流發(fā)生,新站前池內(nèi)存在大尺度回流;工況二下,新站單獨(dú)運(yùn)行,老站前池出現(xiàn)大面積的回流區(qū),新站引渠和前池交界處流速變大;工況三下,新站和老站同時(shí)運(yùn)行,此時(shí)老站前池內(nèi)水流平穩(wěn),新站引渠右側(cè)存在回流區(qū)??梢钥闯?個(gè)工況下的流態(tài)都不均勻。

      圖7 原方案不同工況下面層流線分布圖Fig.7 Surface streamlines of the original scheme under different conditions

      2.2 導(dǎo)控措施

      為了解決原方案前池和進(jìn)水池存在的回流等流態(tài)問(wèn)題,設(shè)置了3種導(dǎo)控措施,其中方案1為方形立柱導(dǎo)控措施,方案2為矩形底坎導(dǎo)控措施,方案3為“矩形底坎+方形立柱”組合導(dǎo)控措施,通過(guò)對(duì)比分析3種方案的導(dǎo)控效果選取最優(yōu)的導(dǎo)控措施。各導(dǎo)控措施的形狀和尺寸如圖8所示,將各導(dǎo)控措施的尺寸分為位置尺寸和幾何尺寸,位置尺寸包括L1~L6,幾何尺寸包括W1~W5。其中D為出水管直徑,L1是最左側(cè)立柱到邊壁的距離,L2是立柱到進(jìn)水池后壁的距離,L3是底坎到邊壁的距離,L4是底坎到進(jìn)水池后壁的距離,L5是設(shè)置底坎的長(zhǎng)度,L6是同時(shí)設(shè)置底坎和立柱時(shí)底坎和立柱之間的距離;W1和W2是單個(gè)立柱截面的尺寸,W3是各個(gè)立柱之間的距離,W4是底坎截面的寬,W5是底坎截面的高度。將各導(dǎo)控措施的尺寸列于表1中。

      圖8 各導(dǎo)控措施及細(xì)部Fig.8 Rectification measures of each scheme

      表1 導(dǎo)控措施尺寸Tab.1 Geometrical dimensions

      3 結(jié)果分析

      3.1 特征斷面和分析參數(shù)選取

      分別截取了水平剖面Z=0.05H和Z=0.95H來(lái)分析新站前池面層和底層流態(tài),其中H為前池水深。此外,引入了速度加權(quán)平均角β和軸向速度分布均勻度Vau[15]來(lái)評(píng)價(jià)不同方案各進(jìn)水池進(jìn)口斷面上的流速分布特性。

      3.2 前池流態(tài)特性

      圖9~圖11為不同方案各工況下的前池面層、底層的流線分布以及速度云圖。從圖9可以發(fā)現(xiàn)工況一下老站單獨(dú)運(yùn)行,原方案前池內(nèi)左側(cè)出現(xiàn)大尺度的回流區(qū),這將造成左側(cè)機(jī)組的進(jìn)水條件惡化,發(fā)生偏流。設(shè)置方案1后老站流態(tài)明顯改善,新站前池流態(tài)紊亂;方案2下老站前池流態(tài)分布較為均勻,新站引渠仍存在大尺度回流;設(shè)置方案3后老站流態(tài)較方案1、2無(wú)明顯區(qū)別,但新站前池回流區(qū)消失,流態(tài)有所改善。

      由圖10中可以看出在工況二下,新站單獨(dú)運(yùn)行,此時(shí)通過(guò)設(shè)置3種不同的導(dǎo)控措施,老站流態(tài)紊亂,新站前池與引渠交界處流速較大,達(dá)到的整流效果基本一致。

      圖9 工況一下各方案面層、底層流線分布Fig.9 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 1

      圖11為工況三下的流態(tài)分布,從圖11中可以看出,方案1通過(guò)設(shè)置立柱老站前池水流流態(tài)平穩(wěn),新站引渠回流區(qū)消失,水流通過(guò)立柱后流速有所較低;方案2通過(guò)設(shè)置底坎,新站引渠側(cè)壁仍存在較小的回流區(qū),但是坎后水流的流速分布較好,從引渠進(jìn)入前池的水流分布較為均勻,但是當(dāng)水流越過(guò)底坎后,由于坎后旋滾作用,坎后水流還未得到充分發(fā)展,亦會(huì)對(duì)進(jìn)水池的進(jìn)水流態(tài)產(chǎn)生不良影響。方案3在方案1的基礎(chǔ)上加設(shè)底坎后流線分布比較均勻,新站引渠側(cè)壁的回流區(qū)基本消去,總體水流流態(tài)比較平穩(wěn),但在前池入口的左右兩側(cè)流速較大。

      圖10 工況二下各方案面層、底層流線分布Fig.10 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 2

      圖11 工況三下各方案面層、底層流線分布Fig.11 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 3

      3.3 速度加權(quán)平均角和軸向速度分布均勻度

      為了進(jìn)一步定量分析前池水流對(duì)進(jìn)水池進(jìn)口斷面上的流速影響,計(jì)算出進(jìn)水池各進(jìn)口斷面上的軸向流速分布均勻度以及速度加權(quán)平均角,計(jì)算結(jié)果列于表2和表3。圖12~圖14給出了各工況下各方案進(jìn)口斷面軸向速度云圖,對(duì)比各工況原方案和3種方案的速度云圖,并結(jié)合表3數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):工況一和工況二下原方案進(jìn)水池各進(jìn)口斷面上的軸向流速分布均勻度都不高,最差的為工況一下的1號(hào)進(jìn)水池僅有60.51%,工況三下的原方案軸向速度分布均勻度較前兩種工況都有所提高,最高的為新站的3號(hào)進(jìn)水池為84.25%;3種導(dǎo)控措施都可以顯著提高各進(jìn)水池進(jìn)口斷面的軸向速度分布均勻度,其中工況三下新站3號(hào)、4號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口斷面的軸向速度分布均勻度經(jīng)導(dǎo)控措施后略有降低,但是整體斷面軸向速度分布均勻度都有所提高。設(shè)置導(dǎo)控方案1和導(dǎo)控方案2后1號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度變化最為明顯,最高提高了6.39%。設(shè)置方案3后,除了工況三3號(hào)進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度有明顯提高,兩側(cè)的進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度相對(duì)于前兩種導(dǎo)控方案有明顯降低,其他兩種工況下,各進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度均較原方案有所提高。通過(guò)不同工況下各進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度對(duì)比發(fā)現(xiàn),對(duì)于各導(dǎo)控方案,導(dǎo)控方案2進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度整體大于導(dǎo)控方案1、3。通過(guò)表4可以發(fā)現(xiàn),各斷面的速度加權(quán)平均角整體變化趨勢(shì)與軸向速度分布均勻度基本一致,設(shè)置導(dǎo)控措施后,各斷面速度加權(quán)平均角都有所提升。整體來(lái)講,導(dǎo)控方案2的導(dǎo)控效果優(yōu)于導(dǎo)控方案1和導(dǎo)控方案3。

      4 結(jié) 論

      本文針對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站前池、進(jìn)水池容易出現(xiàn)大尺度回流不良流態(tài)的問(wèn)題,提出了在前池內(nèi)加設(shè)底坎、立柱以及底坎+立柱的導(dǎo)控措施,分析了3種不同的導(dǎo)控措施對(duì)不同前池流態(tài)的改善作用,得到了如下結(jié)論。

      表2 各方案進(jìn)水池進(jìn)口斷面上的軸向速度分布均勻度Vau %

      表3 各方案速度加權(quán)平均角β (°)

      圖12 工況一下各方案進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度云圖Fig.12 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 1

      圖13 工況二各方案進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度云圖Fig.13 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 2

      圖14 工況三各方案進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度云圖Fig.14 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 3

      (1)在老站單獨(dú)運(yùn)行、新站單獨(dú)運(yùn)行和“新站+老站”同時(shí)運(yùn)行3種工況下前池流態(tài)都不均勻,工況一下,老站單獨(dú)運(yùn)行,老站前池內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn),新站引渠內(nèi)出現(xiàn)大尺度的回流區(qū);工況二下,新站單獨(dú)運(yùn)行,老站水流紊亂,新站引渠內(nèi)同樣存在回流區(qū)且引渠和前池連接處流速偏大;工況三下,新站和老站同時(shí)運(yùn)行,新站引渠右側(cè)存在回流區(qū),同時(shí)對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者吻合性好,說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。

      (2)通過(guò)設(shè)置3種不同的導(dǎo)控措施均可以有效改善前池流態(tài),新站前池內(nèi)的大尺度回流基本消失,對(duì)比3種導(dǎo)控措施,導(dǎo)控方案2進(jìn)水池進(jìn)口斷面軸向速度分布均勻度整體大于導(dǎo)控方案1、3。整體來(lái)講,導(dǎo)控方案2的導(dǎo)控效果優(yōu)于導(dǎo)控方案1和導(dǎo)控方案3。

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