奚 斌, 陳志剛, 陳葉欣, 沈世煊, 張雄偉, 徐 健, 王欣昱

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)通常會(huì)受到征地和投資的影響, 閘站結(jié)合工程為一體化布置, 其結(jié)構(gòu)緊湊, 占地面積少, 在一些地區(qū)被廣泛應(yīng)用．然而, 閘站結(jié)合的布置形式易導(dǎo)致泵站運(yùn)行時(shí)水流流向偏折, 并在泵站前池引起較大的橫向流速, 致使泵站進(jìn)水池產(chǎn)生吸氣漩渦．目前, 主要采用物理模型試驗(yàn)[1-3]和數(shù)值模擬分析[4-8]等方法進(jìn)行泵站前池水流流態(tài)的研究．Xi等[9]采用數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了不同孔高比的鏤空式整流底坎對(duì)泵站前池流態(tài)的影響; Yang等[10]針對(duì)橫向取水泵站前池不良流態(tài)的問題, 設(shè)置整流柱和開孔導(dǎo)流墻, 減少了渦流面積, 提高了流速均勻性; Xi等[11]使用數(shù)值模擬方法優(yōu)化閘站結(jié)合工程的不良流態(tài), 提出導(dǎo)流墩能夠縮小回流范圍,改善進(jìn)水流速分布; Yan等[12]采用1∶12的物理模型分析超短前池不良流態(tài)產(chǎn)生的原因, 全面優(yōu)化進(jìn)水流場(chǎng)．現(xiàn)有研究多以兩建筑物組合的閘、站結(jié)合式泵站為主, 關(guān)于多建筑物組合式泵站復(fù)雜進(jìn)流條件下的整流研究鮮見報(bào)道．本文以某閘、站、橋結(jié)合式復(fù)雜泵站工程為研究對(duì)象, 擬設(shè)計(jì)閘站水工模型,并采用UG12.0軟件對(duì)閘站的進(jìn)水過程進(jìn)行建模, 通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比分析不同優(yōu)化措施下前池的面層流場(chǎng)和進(jìn)水流道斷面的流速均勻度, 確定最佳整流方案, 以期為類似工程提供借鑒和參考．

1 工程概況

某閘、站、橋結(jié)合式泵站已建工程位于河道左岸, 為現(xiàn)狀排澇閘, 共有閘室3孔, 單孔凈寬6.6 m, 底高程-1.87 m．為提升工程排澇能力, 河道右岸擬建一座排澇閘與泵站整體布置的閘站結(jié)合式泵站, 工程平面圖如圖1所示. 擬建工程共有閘室3孔, 其中泵站左側(cè)2孔, 右側(cè)1孔, 單孔凈寬6 m, 底高程-1.87 m．泵站斜向進(jìn)水口布置于規(guī)劃橋梁橋墩的下游側(cè), 與上游河道軸線夾角約16°, 泵站設(shè)計(jì)排澇流量60 m3·s-1, 最低水位運(yùn)行工況下上游水位0.8 m, 下游水位1.6 m, 揚(yáng)程0.8 m, 前池底高程-8 m, 前池坡比1∶4．泵站采用3臺(tái)軸流泵, 為肘形進(jìn)水流道, 單泵流量20 m3·s-1, 與排澇閘聯(lián)合運(yùn)行．初步設(shè)計(jì)方案如下: 采用高程為0 m的低矮隔墩將排澇閘與泵站進(jìn)水池隔開, 隔墩之間布置高度為0.5 m的底坎．在此方案下, 水流越過隔墩時(shí)將產(chǎn)生較大的橫向流速, 易造成部分泵組進(jìn)水池的水流偏流, 致使進(jìn)水池內(nèi)產(chǎn)生吸氣漩渦, 影響機(jī)組的安全運(yùn)行．

圖1 閘站工程平面圖(m)Fig.1 Plan graph of sluice-pump station

2 模型建立與評(píng)價(jià)

2.1 物理模型及數(shù)據(jù)采集

為研究泵站在典型水位運(yùn)行時(shí)的水流流態(tài), 設(shè)計(jì)閘站水工模型,模型布置如圖2所示．按照相似準(zhǔn)則及相關(guān)規(guī)程, 結(jié)合平面布置及試驗(yàn)大廳場(chǎng)地條件, 確定模型幾何比尺為40, 相應(yīng)的流速比尺、流量比尺和糙率比尺分別為6.324, 10 119.289和1.849．根據(jù)糙率相似性, 閘站混凝土部分采用有機(jī)玻璃板制作, 引河、前池、外海段以及進(jìn)出水箱采用聚氯乙烯板制作,防沖槽部位用碎屑和黏合膠進(jìn)行加糙處理．

圖2 水工模型布置圖Fig.2 Layout photo of hydraulic model

試驗(yàn)中流量采用電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)互驗(yàn)測(cè)量, 并利用三角堰對(duì)單泵流量進(jìn)行校核; 水位采用水位儀和測(cè)壓管水位測(cè)量法互校測(cè)量; 面層流場(chǎng)采用數(shù)字粒子圖像測(cè)速(digital particle image velocimetry, DPIV)系統(tǒng)測(cè)量．

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

采用UG12.0軟件對(duì)閘站的進(jìn)水過程進(jìn)行建模, 三維模型如圖3所示．本文主要研究泵站前池流態(tài), 模型由引河、泵站前池、進(jìn)水池、橋墩和排澇閘等組成．

圖3 數(shù)值模擬三維模型Fig.3 Three-dimensional numerical simulation model

將引河進(jìn)口斷面設(shè)置為數(shù)值模擬計(jì)算域的進(jìn)口邊界, 采用質(zhì)量流量入口邊界, 進(jìn)水總流量為60 m3·s-1, 中等湍流強(qiáng)度T=5%; 泵站3個(gè)進(jìn)水流道的進(jìn)口斷面設(shè)置為數(shù)值模擬計(jì)算域的出口邊界, 每個(gè)出口采用自由出流邊界．計(jì)算域內(nèi)水位變化較小, 自由液面采用對(duì)稱邊界處理, 忽略空氣對(duì)水面的切應(yīng)力作用．除進(jìn)出口和自由液面外, 其余部分均為固體邊界．設(shè)置最大迭代步數(shù)為1 000, 默認(rèn)監(jiān)控參數(shù)保持不變, 收斂精度為10-3．

利用ANSYS軟件中的mesh工具對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 采用對(duì)幾何結(jié)構(gòu)邊界適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格．網(wǎng)格無關(guān)性分析結(jié)果如圖4所示, 當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)為3.43×106時(shí), 總水力損失基本一致, 差值在2%以內(nèi), 滿足計(jì)算要求．

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性分析Fig.4 Irrelative Analysis of grid

2.3 流速均勻度計(jì)算

圖5 測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.5 Location of measuring points

3 優(yōu)化方案

3.1 導(dǎo)流墩頭優(yōu)化

設(shè)計(jì)15°,25°,30°,45°,60°等5種角度的導(dǎo)流墩頭, 模擬不同角度的導(dǎo)流墩頭對(duì)前池流態(tài)的影響, 得到如圖6所示的面層流線云圖, 如圖6所示．由圖6可知, 15°和25°導(dǎo)流墩頭過長(zhǎng), 導(dǎo)致兩側(cè)水流進(jìn)入前池后,在導(dǎo)流墩內(nèi)側(cè)形成低速回流區(qū), 使水流無法順直進(jìn)入進(jìn)水池, 且進(jìn)水池內(nèi)存在大范圍的回流區(qū), 整流效果較差; 60°導(dǎo)流墩頭較短, 水流進(jìn)入前池的角度過大, 且沒有足夠的距離進(jìn)行水流調(diào)整, 整流效果較差; 導(dǎo)流墩頭角度為30°和45°時(shí), 兩側(cè)水流進(jìn)入前池的角度較小, 且留有一定的水流調(diào)整距離, 同時(shí)兩側(cè)來流和正向來流的相互影響較小, 水流可以較為順直地進(jìn)入進(jìn)水池．

圖6 不同角度導(dǎo)流墩頭下的面層流線云圖Fig.6 Surface streamline cloud image under diversion pier head at different angles

計(jì)算不同角度導(dǎo)流墩頭下進(jìn)水流道斷面的流速均勻度, 結(jié)果如表1所示．結(jié)合圖6和表1可知: 當(dāng)導(dǎo)流墩頭角度小于30°, 長(zhǎng)寬比大于1.5時(shí), 導(dǎo)流墩頭內(nèi)側(cè)存在低速回流區(qū), 隨著導(dǎo)流墩頭角度增加, 長(zhǎng)寬比減小, 回流區(qū)范圍逐漸減小, 進(jìn)水流道斷面的流速均勻度隨之增加; 當(dāng)導(dǎo)流墩頭大于30°, 長(zhǎng)寬比小于1.5時(shí), 導(dǎo)流墩頭內(nèi)側(cè)的低速回流區(qū)消失, 但隨著導(dǎo)流墩頭角度增大, 長(zhǎng)寬比減小, 水流從兩側(cè)進(jìn)入前池的角度增加, 并且水流沒有足夠的調(diào)整距離, 故流速均勻度也逐漸減?。C上, 最佳導(dǎo)流墩頭角度為30°．

表1 不同角度導(dǎo)流墩頭下進(jìn)水流道斷面流速均勻度

3.2 組合優(yōu)化措施

為進(jìn)一步改善閘站前池流態(tài), 選取30°導(dǎo)流墩頭的同時(shí)增加多種工程措施, 包括將原設(shè)計(jì)底坎更換為鏤空底坎, 在泵站兩側(cè)等間距位置布置整流柱等．分析不同優(yōu)化措施對(duì)前池及進(jìn)水池偏流的改善效果, 繪制不同優(yōu)化措施下面層流線云圖, 并計(jì)算不同優(yōu)化措施下的流速均勻度, 結(jié)果如圖7和表2所示．

表2 不同優(yōu)化措施下的流速均勻度

圖7 不同優(yōu)化措施下面層流線云圖Fig.7 Streamline nephogram under different optimization measures

由圖7和表2可知: 設(shè)置鏤空底坎的優(yōu)化方案6與優(yōu)化方案3相比, 通過底坎鏤空部分的底層水流會(huì)與前池的側(cè)向來流碰撞、混摻, 發(fā)生動(dòng)量與能量的交換, 從而調(diào)整側(cè)向來流, 提高了1號(hào)和3號(hào)進(jìn)水流道的過流均勻性, 而2號(hào)進(jìn)水流道高速區(qū)偏向一側(cè), 故整體流速均勻度略微下降; 設(shè)置整流柱的優(yōu)化方案7與優(yōu)化方案3相比, 雖然整流柱具有阻水分流的作用, 但兩側(cè)水流的過水?dāng)嗝鏈p小, 流速增加, 造成1號(hào)和3號(hào)進(jìn)水流道的流速差增加, 流速均勻度下降了2.76%, 說明僅加入整流柱對(duì)于進(jìn)水流道進(jìn)口斷面整體的流速均勻度起到了負(fù)優(yōu)化效果; 同時(shí)設(shè)置鏤空底坎和整流柱的優(yōu)化方案8與單一優(yōu)化方案相比, 不僅發(fā)揮了整流柱的分流作用, 而且通過底坎鏤空部分的底層水流會(huì)對(duì)繞過整流柱的側(cè)向來流碰撞、混摻, 動(dòng)量與能量的交換更加充分,從而調(diào)整側(cè)向來流, 提高了1號(hào)和3號(hào)進(jìn)水流道的過流均勻性, 同時(shí)對(duì)2號(hào)進(jìn)水流道影響較小, 進(jìn)水流道斷面的流速均勻度為92.64%, 相比優(yōu)化方案3有較大提升．綜上, 30°導(dǎo)流墩頭+鏤空底坎+整流柱的組合優(yōu)化方案可有效改善前池的偏流現(xiàn)象．