導流墩布置形式對泵站前池流態影響分析

劉 承，陳 奇，蔣 勁，劉亞萌

(1.武漢大學動力與機械學院 水力機械過渡過程教育部重點實驗室，武漢 430072；2.湖北省水利水電科學研究院，武漢 430072)

泵站前池連接著引渠和水泵進水口，它的結構設計對于為水泵提供理想進水條件起到十分重要的作用，如果設計不合理會使得泵站進口處產生大尺度的渦流、回流和斜流，造成較大的水力損失，進而使水泵發生空化，引起機組振動，降低泵站效率。但是由于地形、施工等因素的限制，泵站前池的結構設計無法做到最優化，或者在最優的結構設計下，泵站進水口的水流流態依然不理想時，可以考慮在泵站前池合理設置導流墩以改善泵站進口處的流態。

本文以湖北省咸寧市嘉魚余碼頭第二泵站為研究對象，采用CFD數值方法和模型試驗相結合的手段，分析導流墩對大型泵站進水流場的影響，觀察流態變化，為泵站前池設置導流墩以達到改善流態效果提供參考。

1 研究對象

余碼頭第二泵站工程總投資1.238 億元，總裝機3×2 700 kW，設計排水流量為64 m3/s，主要由引水池、泵房、灌溉渠、出水渠等組成，新泵站對原引水渠進行擴挖，新、老站共用新引水渠。泵站的河道、引水渠及前池的設計水位根據實際要求設為22.53 m；引水渠進口的總流量為128 m3/s，新老泵站全部運行時，兩泵站入水口的流量相等，即新老泵站進水口的流量分別為64 m3/s。水流由河道進入引水渠，進入新老泵站的進水前池。其中，老泵站前池總長30 m，前池前端長20 m，寬度漸縮，頂部高程17 m，坡度1∶36.4；前池后端長10 m，寬43.35 m，高程16.45 m。新泵站前池總長18.5 m，右側為導流墩，入口寬度33.22 m；前端長10.5 m，坡度1∶5，頂部高程17 m；后端長8 m，入口處寬度21.4 m，高程14.9 m。引水渠底部與河道底部高程均為17 m(見圖1)。

圖1 泵站前池模型示意圖Fig.1 Pump station forebay model diagram

2 數學計算模型

2.1 湍流模型

數值仿真采用RNGk-ε模型。RNGk-ε模型來源與嚴格的統計技術，通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現小尺度的影響，而使這些小尺度運動系統地從控制方程中去除。

RNGk-ε模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動，包括快速應變、中等渦、局部轉捩的復雜剪切流動情況(如邊界層分離、塊狀分離、渦的后臺階分離等)。這些特點使得RNGk-ε模型在本次泵站導流墩流場模擬中有更高的可信度和精度。

2.2 VOF多相流模型

泵站自由液面模擬采用VOF多相流模型，VOF的基本原理是由定義的一個f值來表示自由面上流體的體積變化，f的值為網格單元上流體體積通量的變化、網格本身體積二者之比。其方程表達式如下：

(1)

式中：f的值是隨流場變化的，在有流體域的網格內取值為1，在無流體點上取值為0。

在不考慮劇烈相變的前提下對于不可壓縮流體，結果連續性介質的特點，f的值是不隨質點的運動而改變的，因此其倒數滿足：

(2)

對f進行積分可得：

(3)

則VOF模型的方程表達式如下所示，它主要表征了在計算流體網格中流體所占網格單元的體積比例。

(4)

2.3 邊界條件及網格劃分

對計算域進行網格劃分，網格扭曲率Skew小于0.4，網格質量良好，符合工程仿真要求，網格總量550 萬個(見圖2)。采用VOF非定常法設置各個邊界條件，進口采用速度邊界，根據設計流量128 m3/s的要求，求得入口的速度為0.408 m/s，新站的設計流量為64 m3/s，各個泵的出口速度為2.228 m/s，老泵站的設計流量為64 m3/s，各個泵的出口速度為0.832 m/s，交界面采用Interface進行對接；上表面設置為大氣壓，即101 324 Pa，VOF中空氣值為1，水的值為0；其他面均為壁面，設置為wall，初始水面高度為5.53 m。

圖2 計算域及網格劃分Fig.2 Computational domain and meshing

3 仿真結果及分析

3.1 無導流墩數值模擬

圖3(a)和圖3(b)分別為在無導流墩布置下泵站進水流道10%水位(即池底距水面距離的1/10處，下同)和50%水位處的速度分布云圖，圖4(a)和圖4(b)分別為泵站前池10%水位和50%水位處的流線分圖。可以看出：從流道扭面區域開始出現小規模循環渦流，并逐漸向后發展，在引水渠外側形成巨大規模的循環回流，在泵站進水口前的流態十分紊亂，水流方向產生較大偏斜，不利于泵站取水。因此，考慮在流道中設置導流墩。

3.2 布置導流墩數值模擬

本文選取直線導流墩和曲線導流墩兩種類型進行數值模擬計算如圖5所示。

圖3 速度分布云圖(單位：m/s)Fig.3 Velocity distribution

圖4 流線圖(單位：Pa·s)Fig.4 Streamline distribution

圖5 導流墩方案布置圖Fig.5Layout of diversion pier

河道中左側彎道處流速較高，根據水流的流動狀態，本方案在此處設置了直線導流墩，對應與之平行的右前方同樣設置了一處，直線導流墩長21 m，厚0.9 m，2個導流墩的擺放位置如圖5(a)所示。

曲線導流墩方案將直線導流墩改為2個曲線形導流墩，擺放位置不變，在主來流區域，提前進行導流分流，其中內側壁面曲率半徑為100 m，外側壁面曲率半徑為101 m，導流墩長度和擺放位置與直線形導流墩方案相同，如圖5(b)所示。

圖6(a)和圖6(b)分別為布置直線導流墩和曲線導流墩10%水位處流速分布云圖，圖7(a)和圖7(b)分別為布置直線導流墩和曲線導流墩50%水位處流速分布云圖，圖8(a)和圖8(b)分別為布置直線導流墩和曲線導流墩10%水位處流線圖，圖9(a)和圖9(b)分別為布置直線導流墩和曲線導流墩50%水位處流線圖。可以看出：直線導流墩對來流的轉向效果較差，流場全局流速分布不均勻，流速突變明顯；在曲線導流墩條件下，流速分布更為均勻，變化平穩，無流速突變。此外，直線導流墩后方低速區延伸距離較長，對來流的阻礙作用較為明顯，而相對于直線導流墩，曲線倒流墩條件下的流場外側流速值較大，水流流向河道外側的趨勢增強，可提高新站取水條件。因此，在曲線導流墩條件下，河道內外兩側流速值差距減小，截面速度變化梯度降低，可以使來流更均勻的流入引水渠。

4 水工模型試驗

4.1 模型試驗設計

進行模擬實驗時為更加真實有效的反映出流體的運動特征，需要在模型與實物之間建立適當的相似關系，這種相似被稱為力學相似，一般在實物與模型相對應點的幾何外形、運動狀態、受力情況都能夠保持一定的相似。

(5)

式中：X為某一物理量(如圖特征長度，加速度等)；p、m分別為原型和模型；r為比例尺。

本次泵站水工模型試驗的研究采用的是弗勞德模型。

(6)

圖6 10%水位處速度分布云圖(單位：m/s)Fig.6 Velocity distribution on 10% of water level

圖7 50%水位處速度分布云圖(單位：m/s)Fig.7 Velocity distribution on 50% of water level

圖8 10%水位處流線圖(單位：Pa·s)Fig.8 Velocity distribution on 10% of water level

圖9 50%水位處流線圖(單位：Pa·s)Fig.9 Velocity distribution on 50% of water level

Frp=Frm

(7)

速度比例尺在該弗勞德模型中，不是作為主要的比例尺，而是重力作為主要的因素，故弗勞德模型也成為“重力相似弗勞德模型”，主要適用于水工結構、明渠水流、波浪阻力和閘孔出流等現象的模型試驗中(見圖10)。最終采用模型與實際線性比例尺為1∶30，比例尺計算值如表1所示。

表1 水工試驗模型比例尺計算表Tab.1 Scale calculation of hydraulic model test

圖10 水工模型試驗現場圖Fig.10 Site of site hydraulic model test

模型試驗的主要觀測數據有：①水位測針布置上游水位測點M1，用于記錄進水渠進口水位；布置前池水位測點M2，用于實驗過程中的水位控制；為了觀測各機組進口前橫斷面的水位差，又分別在新站1號、3號機組、老站2號、8號機組前布置4個水位觀測點M3、M4、M5、M6。各水位測點如圖11所示。②使用高精度流速儀測量水工模型水流流速大小，截取了A-A、B-B、C-C、D-D共4條直線，每條直線采集5個點的流速數據，采集10%和50%水位高度2種。每組水位高度條件下的流速數據采集點位置如圖11所示。③薄壁堰板測量泵站上、下游流量大小：泵站取水口采用三角堰進行流量測量，新、老泵站矩形堰進行測量。④在模型試驗過程中，試驗工作主要圍繞水工模型的流態描述來進行，即在不同的導流墩布置形式，不同工況條件下，對泵站進口、新老泵站的流量，以及流速大小、分布以及流態進行觀察和描述，并拍照進行記錄。

4.2 試驗結果及分析

在無導流墩、布置支線導流墩和布置曲線導流墩三種情況下，分別對每個斷面10%水位和50%水位處各個測點的流速進行測量，并將試驗值、數值模擬計算的流速值經過比例尺換算后，以及兩者的誤差值列入表2～表4(每個測點上面一行數據為10%水位處的數據，下面一行為50%水位處的數據)。

在無導流墩時，A3、B3、B5測點處流速誤差值偏大；在布置直線導流墩時，A3、B3、B5、C1、C2測點處流速誤差值偏大；在布置曲線導流墩時，A3、B3、B5、C5處流速誤差值偏大。誤差較為明顯的測點主要集中在老站前池兩側和引水渠內外兩側。對于測點A3、B3誤差較明顯的主要原因在于：數值模擬中，老站內側區域(靠近新站)的水流受到隔流墩的阻礙作用，出現明顯滯流現象，流速相對較低，而在實驗中并未出現明顯的低速區域。對于測點A5、B5、C1和D1處誤差較大的主要原因在于：該區域流速較低，流速測量時的數據波動所占比重較高。對于測點C5、D5處誤差較大的主要原因在于：由于導流墩對來流的阻礙作用，使導流墩附近及后方小范圍區域的流速波動較為明顯。

圖11 流速采集測點位置示意圖Fig.11 Position of flow measurement points

表2 無導流墩時各斷面各測點流速試驗值、計算值及誤差Tab.2 Test value, the calculated value and the error of the flow rate of each section with no diversion pier

表3 布置直線導流墩時各斷面各測點流速試驗值、計算值及誤差Tab.3 Test value, the calculated value and the error of the flow rate of each section with straight diversion pier

表4 布置曲線導流墩時各斷面各測點流速試驗值、計算值及誤差Tab.4 Test value, the calculated value and the error of the flow rate of each section with bend diversion pier

其余大部分測點的誤差值在20%以內，因此通過水工模型試驗結果可以證明本次數值模擬結果的可靠性，從而保證結論的可靠性。

5 結 語

通過對余碼頭第二泵站泵站前池數值模擬及水工模型試驗分析可以得到以下結論。

(1)布置導流墩后，河道兩側流速差距減小，流速變化梯度降低，使來流分配更為均勻。

(2)導流墩對來流具有一定的阻礙作用，造成導流墩后方出現小面積低速區，可能會引起小范圍渦流和不穩定流動。

(3)直線導流墩對來流的導向效果較差，造成引水渠外側出現大規模循環回流，流場全局的流態不均勻；同時，外側的直線導流墩對來流的阻礙作用較明顯，導致導流墩后方大范圍區域出現不穩定流動。因此，直線導流墩不能很好地改善新站取水條件。

(4)曲線導流墩對來流的導向效果較好，可以明顯消除位于引水渠外側的循環回流，同時對來流的阻礙作用較小，有利于改善新站的取水條件。

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