利用反坡條件的泵站前池擴散角優(yōu)化研究

王海陽 王秀梅

摘 要：為研究反坡條件對前池擴散角的優(yōu)化調(diào)整作用，應用CFD數(shù)值模擬方法，采用標準k-ε湍流模型，對南水北調(diào)某配套泵站正向進水前池進行了分析計算，以工程設計的初始方案為基礎，通過擴散角的調(diào)整分析計算前池水流流態(tài)。計算結(jié)果表明：前池設計水深較大，前池擴散角大于80°時，池內(nèi)水流無法有效擴散，兩側(cè)回流明顯，邊孔水泵吸水條件惡劣;前池擴散角為50°時，前池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定，擴散均勻;前池進口段的反坡結(jié)構(gòu)有利于前池水流均勻擴散，反坡條件可使前池擴散角增大到50°。

關鍵詞：前池;數(shù)學模型;流態(tài);反坡;擴散角

中圖分類號：TV675 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.031

Abstract：The diffusion angle of forebay of most positive inflow pumping stations is controlled according to 40°， but some projects cannot meet the design code due to the site conditions， it makes the flow patterns in the forebay disordered and affects the operation of water pump. Adding the diversion pier， bottom sill， water pressure plate and slope are used to improve the flow pattern of the forebay with large diffusion angle. In this paper， a pumping station with counter-slope of the South-to-North Water Transfers was studied numerically based on the unsteady Reynolds averaged N-S equation and the Standard k-ε turbulence model. Based on the initial design of the project， the flow pattern was calculated by adjusting the diffusion angle. The results show that when the diffusion angle is greater than 80°， the flow in the forebay cannot be effectively diffused， the backflow on both sides is obvious， and the suction condition of side hole water pump is poor and even the water depth is large in the forebay. When the diffusion angle is 50 °， the flow pattern in forebay is stable and the flow diffusion is uniform. The counter-slope structure of forebay intake section is conducive to the uniform diffusion of water flow in forebay and the diffusion angle of forebay can be increased to 50° under reverse slope condition.

Key words： pumping station forebay; mathematical modeling; flow pattern; counter-slope; diffusion angle

泵站前池是引水渠和進水池的連接建筑物，其主要作用是保證引水渠水流充分擴散，平順地進入進水池，為水泵提供良好的吸水條件。前池的體型和尺寸不僅影響水泵吸水條件，而且對泵站工程投資和運行管理有著很大的影響[1-3]。正向進水前池擴散角對前池流態(tài)的影響十分明顯，水從引水渠進入前池后，過水斷面擴大，流速減小，沿程壓力增大，水流在慣性力作用下發(fā)生脫壁現(xiàn)象，前池兩側(cè)產(chǎn)生回流和旋渦，嚴重的會波及進水池內(nèi)，使水泵進口流速和壓力分布不均勻，從而誘發(fā)水泵汽蝕，引起機組、泵房結(jié)構(gòu)振動，影響機組出力，甚至危機泵站結(jié)構(gòu)安全[4-7]。

《泵站設計規(guī)范》（GB 50265—2010）規(guī)定，正向進水前池擴散角不應大于40°[8]，但工程設計中存在如場地狹小等限制因素，使得泵站前池擴散角難以滿足規(guī)范要求，而大擴散角使得泵站前池水流紊亂，影響機組運行。目前，改善泵站大擴散角前池流態(tài)的主要方法為加設導流墩、底坎、壓水板等。近年來隨著計算機技術的發(fā)展和流體力學理論的逐漸成熟，數(shù)值模擬技術在泵站研究設計中得到了廣泛應用[9-11]。于磊等[12]采用Realizable k-ε湍流模型對大擴散角泵站前池整流措施進行了數(shù)值模擬，研究得出Y型導流墩等措施可以改善前池流態(tài);夏臣智等[13]對倒T形底坎的泵站前池水流進行了數(shù)值模擬;徐存東等[14]研究表明，設置壓水板能夠顯著改善前池主流效應，增強水流平面擴散，可有效保證水泵有利的進水條件;徐韶華等[15]提出前池建成倒坡池底對改善水流擴散條件具有較好的效果。大擴散角前池反坡條件的研究及應用很少，筆者以某泵站工程為研究背景，通過數(shù)值模擬方法研究分析了前池的流場分布特征，認為利用反坡條件可以增大擴散角，增加前池容積，提高前池流量調(diào)節(jié)能力。

1 工程背景

某泵站工程為南水北調(diào)中線工程中抽水和反向供水雙向運行泵站，設計抽水流量18 m3/s，反向供水為自流運行，設計流量20 m3/s。泵站主要由引水箱涵、前池進口段、前池、主泵房、壓力水箱及出水箱涵等建筑物組成，工程縱剖面見圖1。工程建設場地比較狹小，泵站前引水渠為有壓箱涵且需穿越公路，箱涵高程較低，通過前池進口段上反后連接前池。引水箱涵底高程為-2.33 m，兩孔一聯(lián)4 m×4 m，前池正向進水。為減小工程投資，前池及進水池底高程為0.70 m。泵房安裝有5臺立式軸流泵，泵房兩側(cè)各設置一條自流道，作為反向供水通道。

考慮泵站引水渠為700 m長有壓箱涵結(jié)構(gòu)，有壓結(jié)構(gòu)對水流變化的調(diào)節(jié)能力較差，且在工程反向供水時自流水頭較高，因此設計時應盡量增大前池容積以增強其調(diào)節(jié)能力。但受場地條件限制，前池最大長度僅21.5 m?？紤]泵站在設計工況運行時，前池進口段出口水流流速較小，斷面平均流速為0.56 m/s，若前池水流充分擴散，則前池末端斷面平均流速為0.25 m/s，因此原設計方案前池為平面矩形結(jié)構(gòu)，凈寬24.6 m。

2 模型建立

2.1 控制方程及計算方法

計算采用標準k-ε雙方程紊流模型，數(shù)值離散采用有限體積法，二階迎風格式及VOF方法對自由水面進行模擬。

2.2 計算區(qū)域及邊界條件

計算模擬順水流向分別為有壓箱涵段20 m，前池進口段12 m，前池21.5 m，進水池7.5 m。計算區(qū)域見圖2。計算入口采用壓力入口，出口控制流量，邊壁糙率取0.012[15]。

2.3 計算工況

由于泵站最低水位運行時，前池水深最小、流態(tài)最為惡劣，因此重點對該運行條件下前池擴散角進行分析計算。泵站流量為18 m3/s，前池水位為3.7 m，單機流量為3.6 m3/s，工作機組數(shù)為5，前池水深3 m。

3 前池水流數(shù)值模擬及分析

3.1 原設計方案

為表示前池平面流場分布情況，水平截取前池1/2水深、高程z=2.2 m處平面作為代表，顯示前池平面流場（見圖3）。同時為分析前池內(nèi)水流分布變化情況，分別取池首、池中及池尾3個橫斷面進行對比，各斷面流速分布見圖4。

計算結(jié)果表明，在前池設計水深加大的情況下，矩形前池流場紊亂，水流進入前池后兩側(cè)回流強烈，回流最大流速約為0.5 m/s，回流區(qū)長度約為15 m，寬度約為8 m，擠壓主流明顯，致使水流難以充分擴散。泵站運行時，水流的紊動可延伸至進水池內(nèi)。初始方案中的矩形前池不能滿足水泵進流的水流條件，需兼顧容積調(diào)節(jié)、水流平順兩個條件對前池進行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案考慮適當減小前池擴散角，但受場地等因素制約前池擴散角不能滿足規(guī)范要求的小于40°，為兼顧前池容積調(diào)節(jié)、水流平順兩個條件，擬定擴散角為80°的方案一和擴散角為50°的方案二分別進行計算分析。方案一計算結(jié)果見圖5、圖6。

計算結(jié)果表明，擴散角為80°時前池入流兩側(cè)脫壁現(xiàn)象明顯，回流最大流速約為0.12 m/s，回流區(qū)域長約為10 m、寬約為4 m，主流中間流線平順，兩側(cè)流線彎曲明顯，泵站運行中容易引起兩邊孔進水池水流紊動，降低邊孔水泵工作效率，擬定前池擴散角為80°的方案不能滿足工程運行要求。對該方案按工程正常運行水位條件，即前池水位6.4 m，池內(nèi)水深5.4 m情況進行了模擬計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前池兩側(cè)仍有回流脫壁現(xiàn)象，兩邊孔機組進水池流態(tài)仍不均勻，可見在前池水位較高的情況下，80°擴散角仍不能滿足工程正常運行的要求。

方案二計算結(jié)果見圖7、圖8。計算結(jié)果表明當前池擴散角為50°時，前池內(nèi)無明顯回流發(fā)生，水流擴散均勻，各進水池內(nèi)水流穩(wěn)定，可以保證機組正常工作。國內(nèi)已建泵站工程前池擴散角大多小于40°（見表1），該工程擴散角已超過規(guī)范及工程慣例范圍。分析該工程特點，引水箱涵和前池之間高差通過1∶2.5反坡連接，該反坡有利于前池水流穩(wěn)定擴散，反坡減弱了水流前池擴散中因斷面擴大而造成流速減小和沿程壓力增大的趨勢，可見利用前池反坡可以優(yōu)化前池擴散角，并保證前池水流穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

泵站大擴散角正向進水前池，水流無法有效擴散，主流集中，前池兩側(cè)回流明顯，邊孔水泵吸水條件惡劣。計算表明，擴散角對泵站前池水流流態(tài)影響非常明顯，隨著擴散角度的減小，前池流態(tài)逐步改善。通過前池進口段的反坡結(jié)構(gòu)調(diào)整了水流擴散分布，使前池水流均勻擴散，通過設置反坡結(jié)構(gòu)可使前池擴散角增大到50°。

本文結(jié)合工程已有設計方案，對現(xiàn)有反坡條件下前池擴散角取值范圍進行了研究，反坡坡比與前池擴散角的對應關系等尚需進一步深入研究。目前該工程已按推薦方案完成施工，運行過程觀測前池水流條件較好，泵站吸水穩(wěn)定。對受場地、地形等限制而無法滿足規(guī)范要求的大擴散角前池，可以結(jié)合進口設計設置反坡以改善前池流態(tài)。對于多泥沙河流的引水及污水排水泵站，反坡的設置應充分考慮淤積問題。

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【責任編輯 呂艷梅】