泵站調(diào)節(jié)池水力優(yōu)化的數(shù)值模擬

朱曉明 葉源新 王曉升 張 睿

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098； 2.上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司， 上海 201203)

在給排水系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)池應(yīng)用非常廣泛．廣義來講，給水系統(tǒng)中用到的水塔、清水池，建筑給水系統(tǒng)中用到的貯水池都屬于調(diào)節(jié)池的范疇；水處理系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)池又分為水質(zhì)調(diào)節(jié)池和水量調(diào)節(jié)池，其研究主要集中在對調(diào)節(jié)池容積的計(jì)算上[1-2]．上海市某泵站不屬于給排水系統(tǒng)中的水工建筑物，但其工程設(shè)計(jì)中包含調(diào)節(jié)池，主要作用：1)由于用水可能存在著晝夜變化和高日高時變化，調(diào)節(jié)池可提高供水安全性，為承接黃浦江水時，保證一定時間內(nèi)原水不間斷；2)由于從水源地承接的水流中存在泥沙等雜質(zhì)，為保證調(diào)節(jié)池內(nèi)不出現(xiàn)泥沙沉積的現(xiàn)象，在調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墻，使槽道的水流達(dá)到不淤流速，從而有效防止泥沙淤積．為保證泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，合理的導(dǎo)流墻布置形式非常重要，本文試圖通過數(shù)值試驗(yàn)的方法尋求合理的導(dǎo)流墻布置形式．近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展， CFD(computational fluid dynamics)正成為了解水流流動狀況的重要手段，被越來越多的學(xué)者應(yīng)用并取得了一定的成果[3-5]．而調(diào)節(jié)池的研究主要集中于設(shè)計(jì)探討[6-8]，并沒有考慮調(diào)節(jié)池內(nèi)部流態(tài)對工程的影響．因此，本文借助計(jì)算流體動力學(xué)軟件Ansys Fluent，采用基于RNGk-ε湍流模型的數(shù)值方法對典型水位條件下多個導(dǎo)流墻布置方案的上海市某泵站整體模型進(jìn)行CFD計(jì)算，通過對比分析不同導(dǎo)流墻布置方案之間的水流流態(tài)和水力損失變化，尋求合理的導(dǎo)流墻布置形式，將水流流態(tài)最優(yōu)且水力損失最小的導(dǎo)流墻布置方案確定為最佳方案，為同類工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考．

1 計(jì)算模型及方案

本文以我國上海市某泵站為研究對象，建立了泵站進(jìn)水口、溢流堰、調(diào)節(jié)池、導(dǎo)流墻、前池、進(jìn)水流道及泵站出口的計(jì)算模型，如圖1所示．

1.泵站進(jìn)口；2.溢流堰；3.調(diào)節(jié)池；4.導(dǎo)流墻；5.前池；6.進(jìn)水流道；7.泵站出口圖1 上海市某泵站幾何模型

為全面分析調(diào)節(jié)池內(nèi)導(dǎo)流墻布置方案對水流流態(tài)分布與水頭損失變化的影響，選取6種不同的導(dǎo)流墻布置形式在典型水位條件下進(jìn)行計(jì)算．其中，方案1在調(diào)節(jié)池中布置若干導(dǎo)流墻形成初步設(shè)計(jì)方案；方案2在方案1的基礎(chǔ)上適當(dāng)加寬流道；方案3在方案2的基礎(chǔ)上調(diào)整水流方向；方案4在方案3的基礎(chǔ)上加大挖深；方案5在方案3的基礎(chǔ)上考慮分流影響；方案6又進(jìn)一步調(diào)整導(dǎo)流墻的尺寸、間距，并且將直角形狀的拐角圓角化．6種導(dǎo)流墻的布置方案如圖2所示，流體域均采用三維CAD軟件pro/E建模．

圖2 6種導(dǎo)流墻布置方案

2 計(jì)算方法及網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)池內(nèi)水流運(yùn)動為湍流運(yùn)動，流動相當(dāng)復(fù)雜，但在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)成立的前提下，流體的運(yùn)動可以用雷諾時均連續(xù)性方程和雷諾時均N-S方程聯(lián)立來描述．

雷諾時均連續(xù)性方程

(1)

雷諾時均N-S方程

式中，t表示時間，xi，xj分別表示i方向和j方向的坐標(biāo)分量；ui，uj分別表示i方向和j方向的流速分量；gi表示i方向的體積力分量；ρ表示流體密度；μ表示流體分子動力粘性系數(shù)；p′表示修正壓力，p′=p+2ρk/3，p表示壓力．

RNGk-ε方程

(3)

其中

一般認(rèn)為水流是不可壓縮流體，熱交換量很小，因此不考慮能量守恒方程．通過雷諾時均N-S方程描述湍流運(yùn)動時具有不封閉性，需要引入湍流模型來封閉方程組，本文采用RNGk-ε模型進(jìn)行計(jì)算域流動特性的模擬．

流體域主要包括配水管、調(diào)節(jié)池、前池、進(jìn)水流道和出水管水域．在數(shù)值計(jì)算中，網(wǎng)格不僅是幾何模型的間接表達(dá)形式，也是數(shù)值計(jì)算與分析的重要載體，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到計(jì)算的精度及效率，同樣直接影響計(jì)算結(jié)果的正確性與可靠性．調(diào)節(jié)池全槽道過流導(dǎo)流墻多，幾何布置復(fù)雜，考慮到調(diào)節(jié)池布置的復(fù)雜性，運(yùn)用ICEM對流體域進(jìn)行幾何適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對水流轉(zhuǎn)彎處進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，整體網(wǎng)格如圖3所示．對方案1進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，整個中途泵站流體計(jì)算域網(wǎng)格單元總數(shù)為990.1萬時，進(jìn)口與出口之間的水力損失差別很小，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加對計(jì)算精度的影響很小，故選用網(wǎng)格總數(shù)為990.1萬時的網(wǎng)格剖分方式．

圖3 上海市某泵站數(shù)值模型整體網(wǎng)格

3 方程離散及邊界條件

在上海市某泵站整體模型的數(shù)值模擬研究中，進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口條件，給定速度的大小和方向；出口邊界采用自由出流條件，即出口斷面上各輸運(yùn)變量梯度為零；對于自由水面則假定為應(yīng)力自由邊界．控制方程的離散采用有限體積法；擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法．

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 流態(tài)分析

針對圖1所示的上海市某泵站幾何模型進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬，其計(jì)算水位為3.8 m，開機(jī)組合為1號、2號和4號．其中調(diào)節(jié)池布置形式如圖2(a)～(f)所示．6種方案的空間流線分布圖如圖4(a)～(f)所示，從圖4(a)可以看出，方案1存在明顯的邊壁脫流現(xiàn)象，極易造成嚴(yán)重的淤積現(xiàn)象，泵站前池前端的進(jìn)水槽中水流明顯偏向一側(cè)，從而誘導(dǎo)了泵站前池水流流態(tài)的惡化；圖4(b)中，墻槽道寬度增大，水流流態(tài)并沒有得到實(shí)質(zhì)性地改變，槽道內(nèi)邊壁脫流及回流現(xiàn)象更加明顯，甚至出現(xiàn)小范圍漩渦，前池進(jìn)口處仍然存在嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象；圖4(c)和4(d)中，調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)流態(tài)大致相似，溢流堰處水流流態(tài)較好，而后存在嚴(yán)重的邊壁脫流現(xiàn)象．圖4(e)中，調(diào)節(jié)池槽道中流態(tài)有所改善，前池前端槽道的起始流態(tài)較好，但是匯入前池時流態(tài)分布有所惡化；圖4(f)中，空間流線分布較好，邊壁脫流現(xiàn)象明顯改善，特別是前池水流居中，有助于優(yōu)化泵站前池水流流態(tài)．

圖4 6種方案空間流線分布圖

6種方案的底層流速分布圖如圖5(a)～(f)所示，從圖中可以看出，圖5(a)～(e)中大部分水域的底部流速均達(dá)到不淤流速，但是水流在前池前端槽道中均存在不同程度的偏流現(xiàn)象，這樣不利于泵站的高效穩(wěn)定運(yùn)行；而圖5(f)中，數(shù)值結(jié)果顯示，方案6有效均化了調(diào)節(jié)池槽道流量分配，在滿足調(diào)節(jié)池底部流速達(dá)到不淤流速的同時，水流在進(jìn)入前池前，主流居中，流態(tài)得到較好地改善，為前池流態(tài)提供一定的保障．

圖5 6種方案底部流速分布云圖

4.2 水力損失分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬研究對調(diào)節(jié)池進(jìn)水流態(tài)及進(jìn)水系統(tǒng)水力損失計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對數(shù)值模擬計(jì)算的優(yōu)化方案進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，建立如圖6所示泵站整體水力模型．泵站模型試驗(yàn)采用整體正態(tài)水力模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)．模型范圍包括進(jìn)水管道、調(diào)節(jié)池、前池、進(jìn)水池和出水管．

圖6 上海市某泵站物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

綜合考慮模型水流在阻力平方區(qū)要求以及模型泵的選擇，擬選取模型線性比尺λ1=10．根據(jù)泵站試驗(yàn)研究要求，采用外形幾何相近，流量適合模擬要求的水泵作為試驗(yàn)用泵，經(jīng)過多方面調(diào)研比較，擬采用150ZLDB型立式混流泵作為試驗(yàn)用泵，通過設(shè)于出水管上的閘閥對水泵的運(yùn)行流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足試驗(yàn)要求．泵站原型前池、進(jìn)水池為鋼筋混凝土材料制作，其糙率為0.013～0.014，模型相應(yīng)糙率為0.009～0.010，模型底板的側(cè)墻采用純水泥細(xì)致抹面，其糙率可達(dá)0.010，調(diào)節(jié)池隔板及進(jìn)水池部分采用有機(jī)玻璃及塑料板制作，其糙率為0.009左右，模型滿足糙率相似的要求．在調(diào)節(jié)池、前池、進(jìn)水池適當(dāng)位置布置測壓管及水位測針量測壓力及水位；在每臺水泵出水管上安裝電磁流量計(jì)或超聲波流量計(jì)量測水泵流量，同時用量水堰對單泵流量進(jìn)行比測，在回水渠設(shè)置量水堰量測泵站總流量．對上述6種調(diào)節(jié)池導(dǎo)流墻布置方案分別進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，并對6種導(dǎo)流墻物理模型水頭損失進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)并換算，與數(shù)值模擬結(jié)果中采集的水頭損失進(jìn)行對比，如圖7所示．從圖中可知，兩條曲線均呈遞減趨勢且趨向重疊，說明數(shù)值模擬結(jié)果可信．6種方案中，方案6的水力損失最低，相較方案一的水力損失降低了近1.2 m，說明合理的導(dǎo)流墻布置形式不僅可以優(yōu)化水流流態(tài)，而且可以有效地降低水力損失．

圖7 數(shù)模與物模中各方案的水頭損失

5 結(jié) 論

本文基于定常不可壓流體的控制方程和重整化群湍流模型，應(yīng)用SIMPLEC算法，計(jì)算了泵站調(diào)節(jié)池三維流動，對比分析不同導(dǎo)流墻布置方案調(diào)節(jié)池的水流流態(tài)．計(jì)算結(jié)果表明，過小的導(dǎo)流墻間隔將導(dǎo)致調(diào)節(jié)池內(nèi)邊壁脫流現(xiàn)象嚴(yán)重；過大的導(dǎo)流墻間隔使得調(diào)節(jié)池內(nèi)水流流速過低；增大調(diào)節(jié)池挖深，流態(tài)改善不明顯且增加工程造價；設(shè)置過多的導(dǎo)流墻會增加調(diào)節(jié)池水頭損失，使得調(diào)節(jié)池水面落降增大；合理的導(dǎo)流墻布置形式可以有效改善調(diào)節(jié)池內(nèi)水流流態(tài)，降低水力損失，為前池流態(tài)提供一定的保障．

優(yōu)化導(dǎo)流墻的尺寸、間距以及布置方向可以有效均化調(diào)節(jié)池槽道流量分配，改善調(diào)節(jié)池流態(tài)，并使前池進(jìn)口流態(tài)得到一定程度的改善，同時能夠有效降低調(diào)節(jié)池內(nèi)的水力損失，調(diào)節(jié)池水面落降明顯減小．其中，本文中將方案6確定為最佳導(dǎo)流墻布置方案，可為工程建設(shè)作一定的參考．

本文僅針對上海市某泵站提供了合理的調(diào)節(jié)池導(dǎo)流墻布置形式，對邊壁脫流和水流偏流等不良現(xiàn)象的改善措施也較為單一，尋求普適性較好且多樣化的改善措施還有待研究．

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