Y形導流墩幾何參數對泵站前池整流效果的影響

成 立，祁衛軍，羅 燦，商邑楠，袁紅彥

(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225009)

前池分為正向進水前池和側向進水前池兩種類型。前池設計不當易導致不良流態產生，而前池內的不良流態將嚴重影響進水池內的流態，導致水泵能量性能和抗空蝕性能下降，甚至引起水泵的空蝕和振動，同時回流還會引起前池內的局部淤積，而泥沙淤積又會進一步加劇不良流態的發展［1］。國內外學者對泵站前池流態的改善做了較多研究，劉超等［2］針對泵站側向進水引河段的回流流動，研究了“底坎+Y形導流墩”的組合整流措施后的流動;成立等［3］對泵站前池底坎整流的流動進行了數值模擬，分析了底坎整流機理;周濟人等［4］通過王山泵站整體模型試驗研究，分析了前池不良流態的成因，研究了加設導流墻等措施的前池整流機理;Gaston等［5］驗證了采用CFD分析方式能更好分析復雜流態。目前研究內容主要集中于在前池中放置底坎［6-7］、壓水板［8］、八字形隔墩［9-10］和導流板［11］，但對Y形導流墩整流機理的研究不多。本文基于Fluent軟件，采用數值模擬的方法模擬Y形導流墩的整流效果，分析研究Y形導流墩在不同設置位置和幾何參數下對改善前池流態的影響。

1 前池及Y形導流墩參數

本文研究的泵站進水前池為正向擴散前池，其中研究區域如圖1所示，包括涵洞(兩孔)、前池、進水池(1～10號)和吸水管。前池相關參數包括前池寬度B、吸水管直徑 D0，測速斷面1-1距進水池0.438D0。擬研究的Y形導流墩如圖2所示，其主要參數包括高度H、長度L、寬度D、角度θ及Y形導流墩至進水池距離X。

2 數值計算

采用Realizable k-ε模型和SIMPLE算法求解流速場分布。由于流動需遵循質量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程，故選擇雷諾時均N-S方程和連續性方程對整個流動進行描述。連續性方程為

動量方程為

式中:ui分別為x、y、z方向的速度分量;p為壓力;ρ為密度;g為重力加速度;ν為水的運動黏性系數，νt為紊動黏性系數。

進口取在進水涵洞入口，本文研究中給定進水涵洞的流量，進口邊界設為質量入口。由于前池內水面波動不大，采用剛蓋假定，簡化為對稱邊界條件。由于出口流動已成單向狀態，為自由出流，選用outflow出流條件。壁面邊界條件采用標準壁面函數。

3 研究方案

為了深入研究Y形導流墩位置及幾何參數對前池流態的影響，設計了13個方案，如表1所示。先分析無整流措施的方案1;然后分別分析比較不同的Y形導流墩位置(方案2～4)、高度(方案5～7)、角度(方案8～10)和長度(方案11～13)對前池流態的影響。為了定量分析，選取斷面1-1為行近流速測量斷面。

表1 不同方案的Y形導流墩幾何參數

4 計算結果及分析

4．1 無整流措施的前池流態

無整流措施的前池流線和斷面1-1行近流速分別如圖3和圖4所示，無整流措施的前池流態不良，前池左右兩側出現與前池長度近乎相等的漩渦;由于兩側水流存在大尺度回漩，逼近進水池，斷面1-1行近流速分布很不均勻。

由圖4可知，數值模擬結果的變化趨勢及數值大小與試驗結果［2］呈現出一致性，這表明數值模擬方法基本可行。

4．2 Y形導流墩位置對前池流態的影響

從圖5～7可知，當Y形導流墩位置過于接近涵洞時(方案2)，其分流效果較為明顯，但前池中間的水流出現大尺度的回漩，對進水池流態產生不利影響;當Y形導流墩位置過于接近進水池時(方案4)，Y形導流墩尾部漩渦影響到了進水池。當Y形導流墩位置適中時(方案3)，進水池前側的流態獲得更均勻分布。由圖8可知，方案3和方案4中進水池前的行近流速分布較為均勻。從上述3種方案的位置參數看，方案3整流效果較好。

4．3 Y 形導流墩高度對前池流態的影響

4．4 Y形導流墩角度對前池流態的影響

由圖13～16及圖6可知，當Y形導流墩尾部夾角較小時(方案8和9)，雖然進水池前的行近流速比較均勻，但是前池兩側漩渦更大;當Y形導流墩尾部夾角適中時(方案3，θ=120°)，兩側回流區相對變小，行近流速相對均勻;當Y形導流墩尾部夾角較大時(方案10)，兩側回流區明顯變小，但是Y形導流墩尾后漩渦較大，行近流速分布變得不均勻。從角度參數看，方案3整流效果較好。

4．5 Y形導流墩長度對前池流態的影響

由圖17～20及圖6看出，當Y形導流墩長度較小時(方案3和11)，兩側回流區相對較大;Y形導流墩尺寸適中時(方案12)，前池兩側回流區減小，Y形導流墩尾后的漩渦對進水池影響不大;當Y形導流墩長度增大時(方案13)，對比流線圖可以看出，Y形導流墩尾后漩渦較大，影響進水池進水，整流效果不明顯。從長度參數來看，方案12優于其他方案。

由于方案3和方案12只有長度參數不一樣，所以在單個Y形導流墩整流的案例中，方案12為最優方案。

5 Y形導流墩整流機理

根據對上述各研究方案的綜合分析可知，當水流流經Y形導流墩時，由于Y形導流墩兩翼的作用，水流會分開，沿Y形導流墩張角方向擴散，漩渦的位置會前移(圖21);與此同時，Y形導流墩尾后的水流會產生回漩，范圍受Y形導流墩的大小、角度和高度影響。Y形導流墩表面以上的水流也會產生輕微的分流現象，行近流速會由不均勻分布向均勻分布過渡(圖22)。

6 結論

a．無整流措施時，前池兩側水流存在大尺度回漩，泵站進水池前行近流速分布不均勻。

b．無整流措施泵站前池計算值和試驗值比較表明，數值模擬方法可行，數值模擬結果可信，可以采用CFD模擬計算的研究方法來研究泵站前池復雜流態問題。

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