中小型泵站進(jìn)水前池水流特性管控和改善方法

朱偉軍

(浙江豐鐸建設(shè)有限公司，浙江 臨安 311300)

中小型泵站在農(nóng)業(yè)灌溉、排澇等方面發(fā)揮著巨大的效益，為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和農(nóng)民增收、保障國(guó)家糧食安全等方面發(fā)揮了巨大的作用[1- 4]。

泵站的建筑物較多，其中進(jìn)水前池為泵站的進(jìn)水建筑物之一，可保證進(jìn)入進(jìn)水池的水流形態(tài)平順，為泵站運(yùn)行提供安全穩(wěn)定高效的環(huán)境。利用工程措施提高進(jìn)水前池的水流形態(tài)，改善水利特性是工程人員關(guān)注的問題[5- 6]。楊小帆等利用SST k-ω湍流模型對(duì)泵站的側(cè)向進(jìn)水流態(tài)進(jìn)行改善研究，通過分析確定了最佳的導(dǎo)流墩布置方式[7]。王廣聚等對(duì)泵房的進(jìn)水前池進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究，對(duì)前池的布置形式作了具體分析[8]。顧春雨等對(duì)多機(jī)組泵站復(fù)合前池的整流進(jìn)行了優(yōu)化分析，認(rèn)為改用圓弧直立擋墻圓滑連接，去掉涵洞，水流形態(tài)更加穩(wěn)定[9]。

本文在前人研究理論及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)采用立柱進(jìn)行進(jìn)水前池水流形態(tài)的改善和控制進(jìn)行定量與定性的分析，以期達(dá)到最佳的水流特性。

1 研究方案與方法

控制前池水流形態(tài)的措施主要有底坎、導(dǎo)流墩和立柱等。底坎由于在坎前容易淤積雜物，使得坎后的漩滾區(qū)減小，整流效果較差；而前池內(nèi)如若存在大尺度回流時(shí)，導(dǎo)流墩的整流效果也不太理想。因此，考慮整流效果、施工方便等因素的前提下，本文選擇矩形立柱作為研究對(duì)象。湍流模型則選用K-ε模型，在進(jìn)口處的邊界條件設(shè)置為質(zhì)量進(jìn)口，流量為33L/s，出口邊界條件為自由出流，設(shè)前池的寬度為B，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，深為H，且出口處為10臺(tái)機(jī)組，如圖1所示。對(duì)立柱位置、斷面尺寸、高度、形狀等4個(gè)方面進(jìn)行不同方案(單因素分析法)的模擬試驗(yàn)研究，見表1。

圖1 前池示意圖

2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

2.1 無立柱流態(tài)模擬分析

無立柱(即無整流措施)時(shí)，其流態(tài)分布模擬圖如圖2所示。無整流時(shí)，在前池的兩側(cè)均有較大的回流區(qū)，回流區(qū)對(duì)主流的壓迫也比較嚴(yán)重，且流速分布極不均勻，流速分布均勻度僅為62.1%，呈中間機(jī)組流速高，兩邊機(jī)組流速低的趨勢(shì)，導(dǎo)致進(jìn)入泵站兩側(cè)進(jìn)水池的進(jìn)水條件惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)向進(jìn)水和旋渦，運(yùn)行極不穩(wěn)定。

表1 模擬設(shè)計(jì)方案表

圖2 無整流措施時(shí)流線及流速分布

2.2 單/雙排柱流態(tài)模擬分析

設(shè)置立柱即要保證進(jìn)入各機(jī)組的流速盡量保持均勻，且產(chǎn)生較小或者產(chǎn)生回流區(qū)。首先以各機(jī)組的流速均勻度作為優(yōu)化條件分析。單/雙排柱情況下的流速均勻度見表2。從表中可以看出：在單排柱方案中，隨著立柱距出水口(機(jī)組進(jìn)口)的距離越大，其流速分布均勻度有逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)距離出水口0.45B時(shí)，其流速均勻度達(dá)到79%，可見，X=0.45B是本次單排柱模擬方案中最佳的位置；在雙排柱方案中，流速分布均勻度有先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)X=0.48B時(shí)，流速分布均勻度達(dá)到85.6%，這是因?yàn)楫?dāng)立柱距下游較小時(shí)，渦還沒有經(jīng)過充分發(fā)展，故而會(huì)使得出水口處水流形態(tài)較為紊亂，而當(dāng)距離過大時(shí)，又會(huì)使立柱前方形成較大渦，同樣也不利于流速分布。對(duì)比單排柱和雙排柱方案可以知道，從整體上來看，雙排柱的整流效果要優(yōu)于單排柱。

方案D6和S3的流線分布和流速分布如圖3所示。對(duì)比無整流措施、D6和S3措施下的流線分布和流速分布可以看到：?jiǎn)闻帕⒅臏饔妹黠@沒有雙排立柱強(qiáng)，立柱后側(cè)有卡門渦，柱前回流區(qū)較無整流措施時(shí)小，但比雙排立柱時(shí)大，雙排立柱的回流區(qū)分布、大小較為均勻；單/雙排柱后回流區(qū)均存在一定的卡門渦。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙排立柱的整流效果確實(shí)優(yōu)于單排立柱，且離出水口(機(jī)組進(jìn)口)的最佳距離為0.48B。

表2 不同單雙排柱方案下流速均勻度對(duì)比

2.3 高度對(duì)前池流態(tài)影響的模擬分析

各高度方案下的流速分布均勻度值如圖4所示。從圖中可以看到，隨著立柱高度的增加，機(jī)組進(jìn)口處的流速分布越均勻，立柱高度從0.2H增大到0.8H后(擴(kuò)大4倍高度)，流速分布均勻度僅僅提高了4%，表明高度并不是影響整流效果的關(guān)鍵因素，且高度增高也會(huì)相應(yīng)增加工程成本，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際涉及施工過程中，應(yīng)該綜合考慮經(jīng)濟(jì)、合理性。

圖3 D6/S3流線、流速分布圖

圖4 高度對(duì)流速分布均勻度的影響

圖5 尺寸對(duì)流速分布均勻度的影響

2.4 尺寸對(duì)前池流態(tài)影響的模擬分析

在最佳立柱位置和高度的前提上，改變立柱的尺寸，得到了各機(jī)組進(jìn)口處的流速分布均勻度對(duì)比值，如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：C3型立柱尺寸下，機(jī)組進(jìn)口處的流速分布均勻度最大，達(dá)到85.2%，C4組次之，C1/C2組未達(dá)到80%，這說明立柱尺寸是影響流速分布均勻度的重要因素之一，且b=0.0375B時(shí)，是最佳尺寸方案。再次基礎(chǔ)上，對(duì)流線及流速分布圖進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 C3方案流線、流速分布圖

可以看到，相比無整流措施時(shí)，其進(jìn)水流態(tài)較好且池中流速分布更均勻，表明在此方案下的整流效果較好。

2.5 形狀對(duì)前池流態(tài)影響的模擬分析

在橢圓K1、三角形K2、六邊形K3形狀方案下的流速分布均勻度對(duì)比如圖7所示。從圖7反應(yīng)的情況來講，立柱形狀對(duì)于前池的整流效果不是關(guān)鍵因素，3種方案的整流效果大致相同，在實(shí)際設(shè)計(jì)施工過程中主要考慮施工方便性，故建議優(yōu)選立柱形狀為方形。

圖7 形狀對(duì)流速分布均勻度的影響

3 結(jié)語

(1)雙排立柱對(duì)進(jìn)水前池的整流效果優(yōu)于單排立柱。

(2)立柱位置和立柱尺寸為影響整流效果的主要因素，且距出口的最佳位置為0.48B，最佳立柱截面尺寸為0.0375B。

(3)立柱的高度和形狀是影響整流效果的次要因素，在設(shè)計(jì)施工時(shí)重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)性和施工方便性，且建議選擇方形立柱形狀。