北方平原地區排水泵站前池流態數值模擬分析

侯玉山

(沈陽利鑫土木工程有限責任公司，遼寧 沈陽 110179)

排水泵站設計主要是對其引水前池的水力特性進行設計，而引水前池水力消能設計的關鍵在于導流墩的布置形式。當前，許多學者展開對導流墩布置形式的研究[1- 7]，但這些研究對象大都為大型閘壩，對排水泵站的研究還較少。近些年來，有學者結合水力學模型對排水泵站導流墩布置形式進行相關研究[8- 9]，但對于北方平原地區排水泵站的研究還不多見，為此本文引入數值模型，以北方排水泵站為工程實例，對該排水泵站導流墩的最優布置形式進行模擬研究。

1 研究方法

采用VOF多項水力學模型進行水力學數值模擬，模擬方程為:

(1)

式中，f—水體單元體積，m3；x、y—兩項流體力學的變化。

假定水體不可壓縮性，其質點運動是可連續的，偏導微分方程為：

(2)

對f進行偏導微分求解，求解方程為：

(3)

式中，t—計算時間，h；μ、ν—湍流系數；i、j—兩項計算步長；Δs—湍流值。

其整體單元的網格水體體積的計算方程為：

(4)

在進行水力學數值模擬的同時，展開水工試驗對其模擬結果進行驗證，一般實物與水工外體的幾何特征存在一定相似力學，相似方程為：

(5)

式中，X—水工模型試驗的特征值；P、m—水工模型和原型；r—模型的比例尺。

采用弗勞德模型來進行水工試驗，試驗方程為：

(6)

式中，g—重力學加速度，m2/s；其他變量同上述方程。

2 實例研究

2.1 試驗概況

本次模型試驗共設置4種導流墩的布置形式，分別為長方形、開槽形、三角形以及圓弧形，其中三角形和圓弧形為曲線導流墩的布置形式、而長方形、開槽形則為直線型的導流墩布置形式。設置不同來水條件下的排水泵站前池流態的模擬，水工模型試驗現場圖如圖1所示。

圖1 水工模型試驗現場

2.2 模型驗證結果

結合水工模型試驗對不同導流墩布置形式下的泵站前池水力學模擬結果進行驗證，驗證結果見表1—3。

表1 無導流墩布置下的水工模型試驗結果

表2 曲線型導流墩布置下的水工模型試驗結果

表3 直線型導流墩布置下的水工模型試驗結果

從各形式導流墩布置形式下的水工模型試驗驗證結果可看出，水力學模型的試驗流速值和計算值吻合度較好，兩者的誤差均小于20%，可以用該水力學模型來進行不同導流墩布置形式下的泵站前池水力學模擬，滿足流速模擬的誤差要求。

2.3 不同來水條件下各導水墩布置形態下的水流模擬

結合不同來水條件對三種導流墩布置形式下的流速和流向進行沿程的數值模擬，流態模擬結果如圖2—3所示。

圖2 不同導流墩布置形式下的排水泵站前池流態分布

圖3 不同導流墩布置形式下的排水泵站前池流向分布

從圖2中可看出，直線型導流墩布置形式下的流速分布十分不均勻，且從圖3中可看出，直線行導流墩布置形式下的流向出現急轉的突變，而在曲線型導流墩布置形式下的流速分布較為均勻，且流向分布未出現較為明顯的突變急轉。此外，從圖2—3還可看出，直線型導流墩布置形式下的低流速分布區逐步往后遷移，對水流的阻礙作用逐步增強，而曲線型的導流墩的邊外側流速有所增強，使得河道內外流速差值逐步減小，有利于泵站向河道抽排水。且無導流墩布置形式下流速分布較有導流墩布置形式下都有所減弱，且流向分布存在較大的回水影響。

2.4 不同來水條件下各導水墩布置形態下的前池消能模擬分布

結合不同來水條件對各導水墩布置形態下的泵站消能進行數值模擬，模擬結果如圖4所示。

圖4 不同不同導流墩布置形式下的排水泵站前池消能模擬分布結果

梯形和開槽型屬于直線型，而三角形和圓弧形屬于曲線型，從各布置形式下的前池水力消能模擬結果可看出，曲線型的水力消能能力明顯好于直線型，曲線型導流墩前池水力消能分布較為均勻，而直線型導流墩前池消能集中在局部，對前池局部影響較大，不利于泵站前池的水力消能。

2.5 不同導水墩布置參數下的排水泵站前池流態分析

為滿足不同導水墩布置形式的結構優化，對導水墩布置形式下的參數進行了優化組合分析，分析結果如圖5—6所示。

圖5 不同長度比例組合參數下的泵站流態分析

圖6 不同深度比例組合參數下的泵站流態分析

從圖5中可看出，不同組合參數下的泵站流態效率值不同，長度比例組合參數6下的泵站效率值達到最佳，而長度比例組合參數1下的泵站效率值較低，因此對于北方平原區的泵站而言，泵站導流墩布置形式長度比例尺在0.5左右，泵站效率值最優。從圖6中可看出，深度比例組合參數3下泵站的效率值達到最優，而深度比例組合參數2下的泵站效率值效果較差，因此對于北方平原區的泵站而言，泵站導流墩深度比例尺在0.4左右，其泵站效率最優。

3 結論

經過水工模擬試驗，對于北方平原區導水墩布置形式分析可以得出以下試驗結論：

(1)布置曲線型導流墩對北方平原區泵站最為適宜，利于泵站向河道內外進行抽水和排水，其中圓弧曲線型布置形式最佳；

(2)在進行曲線型導流墩布置時，長度比例尺為0.5左右，深度比例尺在0.4左右下的組合參數，泵站效率值最高，可以在泵站設計時予以考慮。