多機組泵站雙側向前池水流流動數值模擬研究

顧梅芳，孫鋒明，陳新華，楊曉紅

(1.江陰市重點水利工程建設管理處，江蘇 無錫 214431； 2.江陰市璜土水利農機管理服務站，江蘇 無錫 214431; 3.江陰市南閘水利農機服務站，江蘇 無錫 214431； 4.江陰市水利工程公司，江蘇 無錫 214431)

0 引 言

泵站進水前池基本類型為正向進水前池和側向進水前池,其中側向前池與進水池水流方向正交或斜交，池中易形成回流區，流態紊亂，對水泵機組影響較大，降低水泵工作效率，甚至引起振動[1-3]。泵站側向進水前池的水流流動規律，相關學者研究較多，有關學者通過數值模擬展示了側向前池的流態和流速分布等流動特征，并提出可行性的整流措施[4-5]，但關于雙側向進水前池水流流動研究較少。雙側向進水前池適用于水泵機組臺數較多，且采用錐形前池土建投資過大的情況。由于來流彎曲90°進入進水池的不佳進水條件，且受到進水池后壁阻擋，池內流態較為紊亂，須對雙側向前池水流流動規律進行研究。

1 工程概況

某多機組泵站工程共14臺機組，水泵單機流量1.0 m3/s，總流量14 m3/s，站下設計水位1.3 m，底高程-0.7 m。由于引水渠穿過灌溉中央區域，為減小土方開挖與建設投資，故采用雙側向前池。雙側向前池平面示意圖見圖1。

圖1 雙側向前池平面示意圖

2 數學模型與網格劃分

根據該泵站引水建筑物布置圖，應用大型商用建模軟件UG NX 6.0，按照1∶1比例，建立泵站引水渠、雙側向前池草圖按照設計水位拉伸成水流三維數學模型；進水池按照剖面圖通過拉伸、旋轉及掃略等功能建立三維數學模型，再通過復制14臺機組，該泵站雙側向前池三維模型見圖2。

通過頂級網格劃分工具ICEM CFD軟件采用塊方式對該泵站引水渠、雙側向前池及進水池水流區域劃分為結構化網格。塊方式分為模塊一與模塊二，模塊一為引水渠、雙側向前池，模塊二為進水池。其中，進水池網格劃分較為復雜，需要通過點、線、面關聯及O型網格劃分，再通過鏡像及轉移復制等功能建立14臺水泵機組網格。合并引水渠、雙側向前池網格與14座進水池網格，交界面設置interface。結構化網格優點是網格質量高，計算時間短，更容易收斂，更能迎合流場方向，離散誤差小，可以提高計算精度及準確度。

本工程網格單元數為355 200，節點數為320 852，網格質量決定性評價指標0.45以上，該模型網格質量為優。進水池結構化網格見圖3。

圖2 雙側向前池三維示意圖

圖3 進水池網格示意圖

3 控制方程

控制方程采用三維雷諾時均N-S方程來描述該泵站雙側向前池不可壓縮湍流流動，方程式如下:

雷諾時均N-S方程：

4 邊界條件設置

在fluent計算中，采用Realizable(可實現)k-ε模型，一階迎風格式；進口設置為速度進口；出口設置為outflow(自由出流)；水流與空氣接觸面設置為symmetry(對稱)；河道所有邊壁均設為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 計算分析

采用先進的CFD計算流體動力學方法，對多機組泵站雙側向前池進行水流流動預測。分析內容主要為雙側向前池表層、中層水深水流流態及流速分布及三維水流流態，并提出相關結論與工程措施。

5.1 水流流態及流速分布

依據圖4(a)，從表層水流流態來看，表層水流從引水渠平順過度到雙側向前池，進水池水流回流嚴重，水流流動方向朝向閘門后消失，表明表層水流存在翻滾至底層現象。從圖4(b)中看出，表層水流流速大小分布朝閘門方向逐漸遞減，最小分布等級為0～0.25 m/s；兩側進水池區域流速分布處于低速區，這與進水池水流流態不佳有關。

圖4 雙側向前池表層水流特征

依據圖5(a)，1 m水深水流在雙側向前池流至進水池時流動方向不連續，表明水流在進水池區域里存在三維空間回流。圖5(b)中，0～1.5 m/s流速分布等級區域范圍較圖4(b)略有減小，尤其進水池0～0.25 m/s流速分布區域減小明顯，流動均勻性略好。

圖5 雙側向前池1 m水深水流特征

5.2 進水池進口斷面流速分布

圖6是該泵站兩側進水池進口斷面流速分布示意圖。圖6中，進水池從左到右是按照引水渠水流流動方向依次排列。從圖6中可以看出，較大流速分布在進水池進口斷面底部及管道中心區域，進水池進口斷面頂部為低流速分布區域，流速分布較為不均勻；從引水渠到閘門，進水池進口斷面較大流速分布范圍越來越大，流動均勻性越來越好。

圖6 進水池進口斷面流速分布示意圖

5.3 雙側向前池三維流態

圖7是該泵站雙側向前池三維流態示意圖。圖7反映了三維水流經過雙側向前池遇閘門或90°轉彎存在翻滾至底層的現象，導致進水池區域流態非常紊亂。兩側進水池水泵進水管均采用彎管管道，一定程度上避免池內紊亂流態對水泵機組工作的影響。同時由于90°進水、彎管進水管道及回流流動的影響，一定程度上降低了水泵額定工作效率。

圖7 雙側向前池三維流態圖

綜上所述，多機組泵站采用雙側向前池具有土方開挖少、投資資金少等優點，但也存在兩側進水池區域回流嚴重、水流翻滾等現象及水泵彎管進水管90°進水等不良進水條件降低水泵工作效率等缺點。需要采用隔墩隔開兩側進水池區域整流等工程措施。

6 結 論

1) 雙側向前池中進水池區域水流回流嚴重，水流流動方向朝向閘門后消失，存在翻滾至底層現象。

2) 表層水流流速大小分布朝閘門方向逐漸遞減，兩側進水池區域流速分布處于低速區。

3) 1 m水深水流在雙側向前池流至進水池時流動方向不連續，進水池區域里存在三維空間回流。

4) 0～1.5 m/s流速分布等級區域范圍較表層水流略有減小，尤其進水池0～0.25 m/s流速分布區域減小明顯，流動均勻性略好。

5) 從引水渠到閘門，進水池進口斷面較大流速分布范圍越來越大，流動均勻性越來越好。

6) 三維水流經過雙側向前池遇閘門或90°轉彎存在翻滾至底層的現象，導致進水池區域流態非常紊亂。

7) 兩側進水池水泵進水管均采用彎管管道，由于側向進水、彎管進水管道及回流流動的影響，一定程度上降低了水泵額定工作效率。