彎道河段下游泵站進水前池流態及整流措施

江文　于建忠　傅宗甫　譚箐　陳月君

摘 要：為改善彎道水流在泵站前池引起的偏流、回流、吸氣旋渦等不良流態，基于FLUENT軟件，將雷諾時均N-S方程與RNC k-8雙方程紊流模型應用于某實際工程側向進水泵站前池的三維數值模擬中，對比分析整流前后泵站前池及進水流道流態的流速、流線變化，并建立流速分布均勻度目標函數，定量分析泵站進水流態的優劣。結果表明：在前池增設復合式導流墩并延長導流墻能夠有效地調整彎道水流流向，減弱前池中的偏流和回流，提高水流的順直度與均勻度，改善泵站進水條件，提高樞紐運行的工作效率。

關鍵詞：泵站;彎道水流;側向進水;三維數值模擬：整流措施;流態

中圖分類號：TV61

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2019.04.018

當不對稱閘站樞紐布置在彎道河段時，泵站為側向進水，此時不對稱水流及彎道水流的運動特性導致泵站前池易產生回流、橫向水流、旋渦等一系列不良流態。研究表明[1]，前池的不良流態會對泵站水力機組的運行產生極為不利的影響，致使水泵效率降低，嚴重時會造成機組振動，威脅樞紐安全運行。針對泵站前池流場特性，邢英薇[2]采用水深平均的二維水流方程對非對稱水流進行了計算，但不能很好地反映水流的三維特性：王芳芳等[3]采用RNG k-ε雙方程紊流模型封閉雷諾時均N-S方程對泵站前池流場進行了三維數值模擬，發現流速不均勻分布會導致不良流態的產生。為獲得良好的進水條件，嚴忠民等[4]通過分析多座閘站合建工程物理模型試驗成果，提出在泵站前池設置導流墩可以有效改善回流、螺旋流等不良流態。此外，有關學者還研究了底坎[5]、壓水板[6]、立柱[7]等不同流態改善措施，導流墩因改善流態效果好而被廣泛應用[8]。然而，已有研究主要集中在上游為順直河道的泵站，且主要分析了工程中典型“川”字形導流墩的整流效果，并未涉及復合式導流墩。隨著CFD的發展，越來越多的學者應用數值模擬方法對泵站進水流態進行研究[9]。筆者以上游為彎道河段的某側向進水閘站樞紐為研究對象，基于FLUENT軟件，利用三維紊流數值模型，分析側向進水泵站前池的流態及其成因，并采用復合式導流墩探究適用于該類工程的整流措施。

1 泵站水動力數學模型的建立

1.1 控制方程

泵站前池的水流流動屬于復雜的三維流動，可以采用雷諾時均方程來描述，在笛卡兒坐標系下三維不可壓縮流體的控制方程如下。

連續方程表達式為

1.3 計算區域及網格劃分

該樞紐上游為一彎道，樞紐中心線與彎道上游河道中心線夾角為530。閘站樞紐為不對稱布置，南側為一孔通航節制閘，西北側為一支流，北側為三孔排水泵站（順水流從左到右依次為1#、2#、3#），單泵設計流量為23.4 m3/s，取設計運行水位進行計算，即進水前池水位為3.55 m.運行時三泵全開。樞紐布置如圖1所示，坐標原點位于泵站進水口門處，泵站出口水流沿x軸負向流動，y軸垂直于泵站出口水流方向，沿重力方向為z軸負向。模型計算區域取泵站前池彎道以上100 m，西側支流長100 m，泵站出水側按照進水流道的斷面進行延伸處理，延伸至90 m，節制閘處于關閉狀態。利用ICEM軟件對計算區域進行結構網格劃分，網格數量100萬左右，模型計算區域及局部網格剖分見圖2。

1.4 數值方法和邊界條件

采用有限體積法得出離散方程，選用SIMPLEC算法進行計算。邊界條件：①進口，進口位置有兩個，一個為彎道主流進口，采用壓力出流邊界，另一個為西北向的支流進口，設置為速度人口邊界：②出口，采用速度邊界，給定負向流速;③自由液面，泵站前池自由水面波動較小，采用剛蓋假定方法處理;④邊壁，采用壁面函數法進行處理。模型邊界示意見圖3。

2 整流前泵站前池模擬結果與分析

支流流速很小，進入前池時受彎道來流壓迫，對泵站前池流態的影響可忽略不計，前池流態主要受彎道來流影響。圖4為無整流措施條件下的泵站前池流速等值線分布，可以看出主流進入前池后，表層流動慣性較大，水流不易轉向，導致主流偏向右岸，單側流量集中，在3#水泵進水口門前產生明顯偏流，右岸流速范圍集中在1.1 - 1.3 m/s，而左岸流速范圍集中在0.1-0.3 m/s。圖5顯示前池存在兩處回流區，一處位于2#水泵進水口門前，尺度較小，最大寬度約3m、長度約16 m;另一處較大尺度的回流區位于左岸1#泵站進水口門前，最大寬度約6m、長23 m，從前池進口一直延伸至泵站進水口門。以上不良流態導致前池整體流速分布不均，易誘發水泵汽蝕和振動，致使機組運行效率下降，甚至無法工作。

前池流速分布均勻度直接決定了前池流態的優劣，引入法向流速均勻度V-定量分析前池流態，計算前池底、中、表層法向流速分布的均勻程度，計算公

流速均勻度數值越接近100%.表示前池水流流速分布越均勻，流態越好。

提取泵站進水口門前x=3 m處的橫斷面B（見圖6）底、中、表層法向流速，計算得到底、中、表層流速均勻度分別為3l.9%、33.6%、16.7%，可知前池流速整體均勻度較低，表層流態尤其需要改善。

3 泵站前池整流措施

3.1“川”字形導流墩整流措施

3.1.1 布置形式

導流墩是工程上常用的一種導流建筑物，當來流有明顯的主流方向時，常將其沿水流縱向布置，引導水流逐漸轉向泵站前池，均化水流。經過多種方案比選，這里采用工程中常用的典型“川”字形導流墩，將其布置在前池進口處，導流墩為矩形，每個墩長4m、寬0.5m，具體布置如圖7所示。

3.1.2 前池模擬結果與分析

圖8為采用“川”字形導流墩后前池流速分布情況，可以看出水流經過導流墩的調整后，在其后側產生一小范圍回流，消減了水流的一部分能量，水流得以更為平順地進入前池，右岸流速分布趨于均勻，流速范圍集中在0.8-1.1 m/s。圖9為整流后前池表層流速及流線分布，可以看出，前池回流現象得到改善，位于2#水泵進水口門前的回流區消失，但左岸1#水泵進水口門前仍存在一較大范圍的回流區，寬度約5m，長度為前池進口至泵站進水口門，同時右岸3#水泵前的偏流現象并未見調整，斜向進流狀況依舊嚴重。

提取整流后斷面B的底、中、表層法向流速計算均勻度，見表1。通過對比整流前、后均勻度發現，采用“川”字形導流墩整流措施后，表層流速均勻度提高了57%.中層與底層流速均勻度僅略有改善，總體而言，整流后泵站前池的流速分布均勻度變化不大，改善效果不理想。

3.2 復合式導流墩結合延長導流墻整流措施

在泵站前池布置典形的“川”字形導流墩能夠調整彎道來流方向，使前池水流流速分布趨于均勻，但總體均勻度提高較小，改善效果不佳，并且無法解決前池回流偏流的問題，未能使前池水流達到理想狀態。在“川”字形導流墩的基礎上，將矩形導流墩的頭部改為圓弧曲線，組成由直線段加曲線段的復合式導流墩，直線段長4m.圓弧半徑為0.25 m，布置在前池進口處，如圖10所示。傅宗甫等[10]研究表明，閘站結合部導流墻的長度對回流有很大的影響，在一定范圍內，回流區隨導流墻長度的增大而逐漸減小，故將導流墻的長度向上游延伸6m，輔助消除不良流態。

圖11為整流后泵站前池流速分布，由于導流墩頭部為圓弧曲線，不僅起到引導水流轉向的作用，而且給水流提供了一個作用在導流墩側繞流的向心力，形成向心加速度，因此產生了一個向內旋轉的回流，有效地消耗了來流的一部分能量，減小流速，使水流能夠更加平緩地進入前池。左岸的水流遇到導流墩后，提前轉向進入前池，回流區得到來流的補充，范圍縮小，結合延長導流墻的作用.1#水泵進水口門前的回流區基本消失。右岸水流依靠導流墩后產生的回流，流向得到了很好調整，偏流現象得到明顯改善.3#水泵進水口門前斜向進流情況基本消失：同時，水流流經導流墩后消耗了一部分能量，進入前池后的整體流速相比整流前小，大部分區域流速集中在0.7 -1.1m/s。從圖12可以看出，整流后前池流線均勻平順，不存在明顯的回流與偏流，進水流態良好。

對比整流前、后斷面B的底、中、表層法向流速均勻度（見表2）可見，整流后前池水流重新調整，前池底、中、表層流速均勻度都有了明顯提高，尤其是表層流速提高較多，泵站進水條件有了較大改善。

4 泵站來流條件分析

為了比較前池流態對泵站進水流道的影響，取泵站進水口門后2m斷面C（見圖13），分析各流道的速度等值線分布，同時計算各流道的法向流速均勻度。

圖14為整流前、后泵站各流道法向流速等值線分布，可知整流前大部分區域流速集中在-1.0 - -0.2m/s，整流后集中在-0.9 -0.6 m/s，斷面整體流速減小。整流前1#與3#流道主流偏向右側，整流后主流居中，偏流現象得到明顯改善。對比整流前、后的法向流速均勻度（見表3）可知，整流后1#與2#流道法向流速均勻度均提高了20%以上。總體上，采用復合式導流墩措施整流后泵站進水條件得到極大地改善，水泵進水流態良好，能夠滿足樞紐高效運行的要求。

5 結論

（1）布置于彎道河段的閘站樞紐，由于彎道水流的流動特性，水流進入前池后未能及時轉向，因此泵站前池出現嚴重偏流和大尺度回流，前池及泵站流道水流流速分布不均勻，泵站進水條件惡劣，不利于泵站的安全運行。

（2）利用數值模擬軟件，初步模擬了彎道河段泵站前池的水流流態，并采用工程中常用的“川”字形導流墩與新型復合式導流墩改善流態，通過對比整流前后進水前池的流態、流速、流線，定量分析了前池和泵站水流流速的均勻度，初步驗證了復合式導流墩整流措施能夠有效地消除彎道河段泵站前池內的回流、偏流等不良流態，提高流速分布均勻程度，保證泵站進水水流平順，流態良好，可為類似工程提供參考。

（3）復合式導流墩整流措施的應用僅停留在數值模擬的基礎上，并未采用物理模型的方法進行分析，在未來的工作中仍需進一步探究。

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