基于CFD的黃河灌區泵站前池流場特性數值分析

安明明

(河南省濟源水文水資源勘測局,河南 濟源 459000)

0 引言

泵站前池是泵站的主要組成部分，主要功能是引導水流順暢進入泵站機組吸水管，前池流場特性的優劣直接關系泵站運行效率和安全。羅燦等N-S方程和RNGk-ε湍流模型模擬分析了雙側向進水泵站前池流場，發現不同運行工況的流態分布都不均勻；營佳瑋等采用VOF模型研究了某大型泵站前池流態，發現前池兩側存在回流現象；徐存東等開展了基于CFD的泵站前池水流形態數值模擬，研究表明前池水流在平面和立面的擴散效果均較差，存在嚴重的主流效應。對于黃河灌區，泵站是灌區建設的基礎設施，是灌區水資源輸移和配置的心臟，受水源含沙、結構設計不合理等因素的影響，黃河灌區泵站前池更易出現流場結構不良(如偏斜、脫壁、低速回流區等)、泥沙淤積嚴重等問題，導致泵站機組進水條件差，制約泵站性能正常發揮，同時還會大幅增加泵站運維成本。因此，開展黃河灌區泵站前池流場特性研究具有重要意義。文章選取某黃河灌區泵站前池作為典型研究對象，采用CFD數值模擬方法對該泵站前池流場特性進行求解與分析，同時探索黃河灌區泵站前池不良流場產生原因。

1 數值模型構建

黃河灌區泵站前池水流為不可壓縮湍流，固采用Realizablek-ε湍流模型進行描述，而且泵站水源含沙，水流屬于水沙兩項混合流體，泥沙廣泛分布于水體，對水流具有很好的跟隨性，因此采用不考慮相間滑移的Mixture模型進行均勻兩相流流場辨識模擬。求解過程采用Second Order Upwind和SIMPLEC算法以保證結果精度，計算精度取10-4。

1.1 控制方程

研究中水流為不可壓縮流體，不考慮能量交換，則水沙兩相流控制方程如下。

①連續性方程：

(1)

②運動方程：

(2)

1.2 幾何建模與網格劃分

研究選取的典型泵站前池共布置有機組8臺，設計流量9.50 m3/s，其中4#機組流量為2.00 m3/s，其于機組流量均為1.50 m3/s，設計工況條件下1#、2#、4#、6#、7#、8#機組運行，3#、5#機組備用。利用ICEM-CFD軟件構建典型泵站前池原尺寸三維幾何模型，并對其進行非結構化網格劃分，網格劃分過程中對空間狹小部位進行適當加密，劃分網格單元總數約為325萬個，劃分結果示意圖如圖1所示。

圖1 泵站前池計算域網格劃分示意圖

1.3 邊界條件

①進口邊界：泵站前池流場特性數值模擬計算域進口斷面已知，并以設計流量運行，可確定計算域進口斷面流速，因此進口邊界采用Velocity-inlet。②出口邊界：計算域出口即泵站機組進口，將出口水流視為完全發展湍流，因此設置出口邊界條件為outflow。③水流表面邊界：泵站前池水流表面區域受風力等外界環境條件擾動不大，基本可視為平靜液面，無明顯浮動，固采用剛蓋假定進行水體液面描述，設置邊界條件為symmetry。④近壁邊界：對于湍流，近壁面邊界至流動核心區劃分為粘性子層、過渡層、湍流核心區域三個區域，k-ε系列模型只適用于充分發展的湍流核心區，對于近壁面區域，采用壁面函數法將粘性子層和過渡層的流動特性與湍流核心區域聯系起來，因此近壁邊界采用標準避免函數進行處理。

2 數值模擬結果與分析

將ICEM軟件劃分的典型黃河灌區泵站前池網格文件(.msh文件)導入Fluent軟件進行水沙混合流體流場特性模擬，然后對模擬結果提取觀測斷面流速分布特征圖進行流場特性分析。設定沿水流方向為X正方向，X=0為前池入口斷面；與X方向垂直方向為Y方向，Y=0為前池中間對稱斷面，向右岸為正方向；水深方向為Z正方向，Z=0為液面。本研究共設置觀測斷面9個，詳見表1。各斷面流速分布矢量圖和云圖如圖2、圖3所示。

表1 流速分布特征觀測斷面表

(a)水平斷面Z=0.30 m的流速分布矢量圖和云圖

(b)水平斷面Z=0.90 m的流速分布矢量圖和云圖

(c)水平斷面Z=1.50 m的流速分布矢量圖和云圖

(d)水平斷面Z=2.50 m的流速分布矢量圖和云圖圖2 水平觀測斷面流速分布矢量圖和云圖

圖3 縱向觀測斷面流速分布矢量圖和云圖

由圖2分析可知，泵站前池水流在水平方向上主流效應明顯，且主流略向左岸偏斜，前池內兩側存在大范圍旋渦回流區，回流區自前池入口便開始形成并一直延伸至前池末端，回流區影響范圍約占前池容積的1/3，前池兩側均形成有2個旋渦回流中心，中心流速近乎為0，前池兩側及末端的回流區影響范圍內水體流速基本在0.15 m/s以下；主流區域流速明顯高于兩側回流區水流流速，沿水流行進方向水體流速逐漸衰減，水流行進至前池末端除了部分進入機組吸水管外，主要受后壁的限制而向兩側擴散；沿水深方向旋渦回流區范圍呈微弱的減小趨勢，主流的平面擴散效果略有提高，主要是受前池后部斜坡段和下部吸水管吸水的影響，下部水體擴散空間增加，受兩側回流區對主流的擠壓作用減弱；泵站機組吸水管喇叭口附近(圖2-c)，4#喇叭口進水相對順暢，水流行進方向與其軸線基本平行，而兩側其他吸水管軸線均與水流行進方向呈一定的夾角，進水條件相對較差，不利于泵站機組的高效運行。

由圖3分析可知，沿水深方向泵站前池兩側旋渦回流區水體流速無明顯梯度變化且均處于較低水平，而主流區域流場分布可以劃分為2個階段，前池水平段水體流速隨水深增加而減小，這是水流受前池水平段底部摩擦的影響，水流達到斜坡段之后水體流速沿水深則略有提高，主要是因為前池斜坡段擴散空間增加、水體下沉，在重力和吸水管吸水的作用下水體流速增加；水流達到前池后壁時行進受阻開始沿里面向上翻滾，易造成吸水管吸水方向在立面上與水流行進方向不一致，影響機組運行。

可見，該黃河灌區泵站前池水體水平擴散和里面擴散效果差，主流相應顯著，存在大范圍旋渦回流區、低流速區以及流速分布不均勻等不良流場，進而導致泵站機組吸水管進水條件差，泵站前池向機組吸水管提供平順水流的功能并沒有得到發揮，同時不良流場的存在會導致黃河灌區泵站前池泥沙淤積，影響泵站的正常運行。分析黃河灌區泵站前池不良流場產生的原因主要有2個方面：①黃河灌區泵站前池擴散角設計不合理，易造成水流進入前池后發生脫壁，進而引起水體主流效應及回流區的產生；②前池斜坡段設置不合理，造成吸水管附近水下容積與機組進水流量不匹配，制約水體行進。然而，對于上述2個原因與黃河灌區泵站前池流場特性之間的定性或定量關系還有待進一步研究。

3 結語

①采用Realizablek-ε湍流模型耦合Mixture模型，忽略水沙兩相流的相間滑移，能夠實現對黃河灌區泵站前池流場特性的辨識和模擬，為泵站前池流場特性分析提供了可靠手段。②典型黃河灌區泵站前池水流的主流效應顯著，兩側非對稱旋渦回流區占據前池容積的約1/3，回流區影響范圍內水體流速在0.15 m/s以下，沿水深方向水流平面擴散效果有所改善，而在立面上水流在前池末端向上翻滾形成里面旋渦，除4#吸水管進水條件較好外其余機組吸水管進水條件均較差。③黃河灌區泵站前池不良流場嚴重制約泵站水力性能的發揮，前池擴散角和斜坡段縱坡設置不合理是引起泵站前池不良流場的主要原因，可以通過優化泵站前池結構參數或在前池內增設整流工程措施來改善黃河灌區泵站前池流場特性，提升黃河灌區泵站的運行效率。