泵站前池單排方柱整流措施數值模擬

夏臣智,成 立,趙國鋒,于 磊,吳牧天,徐文濤

(揚州大學水利與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225000)

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泵站前池單排方柱整流措施數值模擬

夏臣智,成 立,趙國鋒,于 磊,吳牧天,徐文濤

(揚州大學水利與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225000)

為改善泵站前池內水流流態,基于Fluent軟件,運用RNGk-ε模型對加單排方柱的正向進水泵站前池流態進行數值模擬,分析單排方柱的幾何參數對前池流態改善的影響。結果表明:單排方柱具有分流效果,流經單排方柱的水流會向前池兩側分散,在單排方柱的后方形成漩渦。無整流措施時,泵站前池流態紊亂;通過在前池加設單排方柱可顯著改善流態;單排方柱宜布置在前池前中部,不宜布置在兩側回流區內;方柱寬度越小,分流作用越小,行近流速分布越不均勻。

泵站;前池;整流措施;方柱;流態;數值模擬

立柱是一種被用于泵站前池內流態改善的工程措施,周濟人等[1]對此進行了物理模型試驗,并介紹了立柱和底坎組合在泵站前池流態改善中的作用。此后,羅縉等[2]在火(核)電站循環水泵房前池中也采用了立柱和底坎組合的整流措施,取得了較好的整流效果,并經模型試驗得到驗證。朱紅耕[3]通過模型試驗分析了水位對立柱整流的影響。羅燦等[4]將立柱與隔墩以及隔板組合用于側向進水泵站的流態改善。上述研究表明,立柱在前池流態改善中有良好的作用。然而,對于單排方柱及其布置方法在泵站前池內的整流機理的研究較少。

數值模擬方法在對泵站前池流態改善研究中被廣泛采用。劉超等[5]采用數值模擬方法對取水前池內流態改善進行了研究,計算結果與試驗十分吻合。于永海等[6]采用VOF方法,基于Realizablek-ε紊流模型對泵站前池導流板整流措施進行了數值模擬研究。羅燦等[7]基于N-S方程和Realizablek-ε紊流模型,模擬了正向進水前池中無任何措施和增設底坎整流措施的流態。

本文基于Fluent軟件模擬了單排方柱的整流效果,分析研究單排方柱在不同位置和幾何參數下對改善前池流態的影響。

1 前池及單排方柱參數

所研究的泵站進水前池為正向擴散前池(圖1),包括兩孔涵洞、前池、進水池(1～10號)和吸水管。前池相關參數包括前池長度L0、前池寬度B0和吸水管直徑D0，單排方柱的相關參數包括方柱寬度B1、單排方柱距進水池的長度L1和方柱的數量N。圖1中斷面3為計算時站前行近流速取值斷面,距進水池0.438D0。各機組的站前行近流速取測速斷面上正對吸水管中心測線上的平均速度。斷面1和斷面2為前池內水力損失的計算斷面。

圖1 泵站計算模型

2 數值計算方法

2.1 流體控制方程及邊界條件

泵站涵洞、前池和進水池內的水流流動特性為三維不可壓黏性流動,其流體動力學控制方程包括連續性方程和動量守恒方程[8]:

(1)

(2)

進口邊界取在涵洞進口,設置為質量流量進口,以避免網格劃分密度不均引起的計算誤差[9]。出口邊界取在進水池出水管出口,設置為靜壓出口。各固壁面采用壁面函數處理。由于水位變化不大,自由液面采用剛蓋假定處理[10]。

2.2 網格劃分

對前池和涵洞采用結構網格進行劃分,對進水池采用非結構網格劃分。全局單元最大尺寸為0.02 m,加密尺寸為0.01 m。對研究對象前池劃分了不同數量的結構網格,網格節點數量在9.7萬～29.3萬。通過計算,前池網格數量為21.8萬時,可滿足網格無關性檢驗要求。計算網格如圖2所示。

2.3 湍流模型選擇

泵站內流動一般為高雷諾數的湍流流動,特別是前池內水流的擴散流動,往往存在邊壁脫流和大尺度回流的狀況,采用兩方程k-ε模型較為合適[11]。在對泵站前池進行計算時,有選用RNGk-ε模型的[12],也有選用Realizablek-ε模型的[13]。本文對比了上述兩種兩方程k-ε模型對計算結果的影響,并與文獻[11]及[14]試驗結果進行了比較。圖3為泵站站前行近流速分布,兩種湍流模型的計算結果與試驗值[11]分布趨勢相近,泵站中間機組前的流速大,兩側機組前的流速小,邊側機組前的行近流速為負值,表明前池兩側邊壁處存在回流區。圖4為RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型前池0.5H(H為水深)截面的流速分布,可見兩種模型均能計算出前池兩側存在回流區,但是RNGk-ε模型計算結果顯示,前池中部流速較大,兩側存在大小相近的回流區,與文獻[14]更為接近。因此采用RNGk-ε模型對前池流態進行模擬。

圖2 計算區域網格

圖3 站前行近流速分布

圖4 前池0.5H截面流速分布對比(單位：m/s)

3 研究方案

為研究方柱的幾何參數和布置形式對前池內流態的影響,設計7個方案(表1)來分析方柱的布置位置(方案1～3)、方柱寬度(方案1、4、5)和方柱數量(方案1、6、7)對前池內流態的影響。設計無整流措施方案(方案0)作為對照方案。方柱的具體布置形式如圖5所示。

表1 研究方案

圖5 泵站前池及方柱布置形式及參數

4 計算結果分析

4.1 無整流措施的前池流態

圖6 無整流措施前池內流線(單位：m/s)

圖7 無整流措施站前行近流速分布

圖6為無整流措施的前池內流態,圖7為無整流措施各機組站前行近流速分布。無整流措施的前池流態不良,兩邊壁側有大范圍的回流區,回流區的范圍與前池長度近乎相等。由于前池兩側回流區逼近進水池,斷面3的行近流速分布很不均勻,中間流速大,兩側流速小。

4.2 單排方柱位置對前池流態的影響

圖8 方案1前池0.5H截面流速分布(單位：m/s)

圖9 方案2前池0.5H截面流速分布(單位：m/s)

圖10 方案3前池0.5H截面流速分布(單位：m/s)

圖8～10為方案1～3的前池內流態,顯示加入方柱后前池內流態發生明顯的改變,方案0中主流在前池中間的流態得到改善,前池兩側的大范圍回流區被消除。方柱在其中起到阻水分流的作用,同時流體流過方柱后會在其后部形成卡門渦,而多個方柱后方的流場會形成復雜卡門渦場,流體間發生更強烈的能量交換,使得方柱后的水流流速得到進一步的調整。但是方柱后水流的能量交換和流速調整是需要空間的,從方案1～3的流態可以看出,如果方柱距離進水池過近,方柱后的渦場反而會進一步影響機組的行近流速。與方案2和方案3相比,方案1中間機組(3～8號)前的行近流速波動較小,分布更為均勻,方柱整流效果較好(圖11)。在前池內采用方柱進行整流時,推薦方柱布置位置在前池擴散段末端。

圖11 不同方柱位置站前行近流速分布

4.3 單排方柱寬度對前池流態的影響

圖12 方案4前池0.5H截面流速分布(單位：m/s)

圖13 方案5前池0.5H截面流速分布(單位：m/s)

圖12、13為方案4和方案5的前池內流態,改變方柱的寬度,對前池內流態調整也有明顯的影響。方柱寬度過小,則其阻水分流的效果就不明顯,其柱后的水流能量交換效果也不太好,方案4前池一側仍存在較大的回流區,影響到該側機組的進水流態。方柱寬度增大時,其阻水分流效果明顯。但是方柱間的距離隨著方柱的寬度變大而變小,使得水流在流過方柱后,流速變大,回流區發生于前池兩側靠近進水池的位置,影響邊側機組的流速。與方案0相比,方案4、5的邊側機組流速仍然較小(圖14),即使增大方柱的寬度也不能很好地改善邊側機組的進水流態。

圖14 不同方柱寬度站前行近流速分布

4.4 單排方柱數量對前池流態的影響

考慮到前池兩側水流流速較小,若在前池邊側設置方柱,水流流速將進一步降低,對邊側機組的進水流態改善效果不佳,所以在方案1的基礎上,從邊側起對稱減少方柱的數量(方案6和方案7)。圖15、16分別為方案6、7的前池內流態。方案6、7的回流區位置均在前池的前中部,與進水池相距較遠,不會惡化進水池前的進水流態。比較圖8、圖15和圖16進水池前的流線可以看出,方案6進水池前的流線更均勻,入流方向更好。方案6和方案7各機組的站前行近流速分布較為均勻(圖17),與方案0相比,各機組的進水流態改善較為明顯。綜合比較前池內流態和站前行近流速分布,方案6的方柱設置對前池內流態改善最佳。

圖15 方案6前池0.5H截面流速分布(單位：m/s)

圖16 方案7前池0.5H截面流速分布(單位：m/s)

圖17 不同方柱數量站前行近流速分布

改變方柱數量后計算前池的水力損失如表2所示。由表2可知,在前池內設置方柱和改變方柱的數量對水力損失的影響很小。隨著方柱數量的減少(方案6、7),前池內水力損失增大,這是因為減小前池兩側方柱后,柱后的水流湍動加強。

表2 前池內水力損失

圖18為方案1在不同水位工況下站前行近流速分布。由圖18可知,隨著水位的增高,機組的站前行近流速變化變小,經過方柱調整后,進入進水池的水流變得更加均勻。水位過低時,站前行近流速分布變化較大,進入進水池的水流沒有得到充分地調整。這說明,水位變化對前池內單排方柱整流效果影響較為明顯。

圖18 不同水位工況下方案1站前行近流速分布

4.5 單排方柱整流效果分析

綜合分析上述各研究方案可知,當水流流經單排方柱時,由于單排方柱阻水分流作用,水流會流向前池兩側,改變前池兩側水流流態,減小兩側回流區。同時,在單排方柱后產生卡門漩渦,其范圍受單排方柱位置、方柱寬度和數量的影響。水流受漩渦的影響,發生能量傳遞,行近流速由不均勻分布逐漸過渡到均勻分布(圖19)。

圖19 行近流速變化示意圖

5 結 論

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

b. 單排方柱的位置布置方式對前池內流態改善有明顯影響。當單排方柱位于0.6L0、寬度為0.05B0時,前池內流態得到很好改善,斷面3行近流速分布合理。

c. 前池內水位變低會影響前池內單排方柱整流效果。

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Numerical simulation of flow pattern in forebay of pump station with single row of square columns

XIA Chenzhi, CHENG Li, ZHAO Guofeng, YU Lei, WU Mutian, XU Wentao

(School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225000, China)

In order to improve the flow pattern in the foreway of a pump station, the RNGk-εturbulence model based on the Fluent software was used to simulate the flow pattern in the front inflow forebay of a pump station with a single row of square columns, and the effect of geometric parameters of these square columns on the flow pattern in the foreway was analyzed. The results show that a single row of square columns leads to flow separation, the water flowing through the square columns disperses to the two sides of the foreway, and vortices form behind the square columns. Without rectification measures, the flow pattern is disorderly in the forebay, but it is significantly improved when a single row of square columns are arranged in the forebay. These square columns should be arranged in the forepart and middle of the forebay, not in the backflow zone at the two sides. The flow separation effect decreases and the approach velocity is more non-uniform with the decrease of the width of square columns.

pump station; forebay; rectification measure; square column; flow pattern; numerical simulation

國家科技支撐計劃(2015BAD201301-02);江蘇省研究生培養創新工程(KYLX16-1395);江蘇省大學生學術科技創新基金(201611117030Z)

夏臣智(1990—)，男，博士研究生，主要從事泵站工程研究。E-mail:xiachenzhi@foxmail.com

成立(1975—)，男，教授，博士，主要從事泵站工程研究。E-mail:chengli@zu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.010

TV135;TV675

A

1006-7647(2017)04-0053-06

2017-01-08 編輯：鄭孝宇)