大擴散角泵站前池楔形導流墩整流研究

錢華港，蔡林濤，李 娜，孫承祥

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州225127；2.中國灌溉排水發展中心，北京100054；3.江蘇省通榆河薔薇河送清水工程管理處，江蘇淮安223005）

0 引言

泵站前池的設計應滿足水流順暢、流速分布均勻、池內不產生渦流的要求［1］。對于流態相對較好的正向進水泵站，前池擴散角的合理取值范圍為20°～40°之間。但一些城市排澇泵站由于受場地布置等原因的影響，存在擴散角過大等問題，導致前池內流態紊亂，影響泵站的經濟運行，嚴重時會導致機組及泵站振動，影響安全運行。在采用大擴散角前池進水的正向進水泵站前池內，由于水流從引河進入前池時流速較大，主流集中，使得主流在前池內不能及時擴散，伴隨出現有脫流、回流和旋渦等不良水流現象［2-3］，對于兩側進水池甚至會出現嚴重的側向進水的現象，影響進水池內的水流流態。在泵站前池研究領域，研究人員主要采用模型試驗和數值模擬計算兩種方法開展研究，并得了大量的研究成果。羅燦［4］等研究結果表明，在距進水池口（7～10）D處設置0.3 倍水深的底坎整流效果較好。周龍才［5］等認為對于大擴散角前池，有必要通過加設整流措施改善不良流態，并建議泵站在實際運行中應對稱開啟中間機組。黃繼紅［6］等通過設置導流墩的方式，改善了大擴散角泵站前池內存在的不良流態。劉梅清［7］等研究前池內的旋渦分布，設計導流墩整流方案改善流態。劉承［8］等研究結果表明，曲線導流墩對來流的導向效果較好，有利于改善泵站的取水條件。羅海軍［9］等研究結果表明，前池進流在受到導流墩、橫梁以及消渦板的綜合整流作用下，顯著改善了前池和進水池的水流流態。XU［10］等通過采用導流墩和壓力板兩項防淤措施對大型泵站的前池流態進行數值模擬研究，流態優化效果明顯。SONG［11］等建議增設“T”型導流墩作為泵站的流量控制措施。本文的研究對象為前池擴散角度達到55°的大擴散角泵站前池，采用楔形導流墩的整流措施，設計整流方案，運用CFX 軟件進行數值模擬計算，搭建水工試驗模型，驗證整流方案的合理性并選擇最優的整流措施。

1 數學模型及計算方法

1.1 幾何建模

某泵站設計流量10 m3/s，安裝4臺口徑900 mm 立式軸流泵機組，采用開敞式進水池，正向進水前池，前池擴散角55°。

選用UG 軟件建立泵站進水建筑物的三維模型。圖1 為該大擴散角泵站的進水建筑物結構布置圖及三維模型圖，1～4 號進水池位置如圖所示。圖中X方向為水泵進水（順水流）方向，Y方向為垂直水流方向，Z方向為垂直水面方向，以向上為正方向。

圖1 泵站進水建筑物示意圖Fig.1 Schematic diagram of the influent structure for pumping station

1.2 控制方程及湍流模型

在本文選取的模型中，泵站前池直接與大氣相通，可將前池內的水流視為不可壓縮、黏性流動的黏性湍流進行三維模擬。

連續性方程：

式中：ui分別為x，y，z軸上的速度分量。

動量方程：

式中：ρ是流體密度；t是時間；p是壓力；g為重力加速度；v為水的運動黏性系數；vt為紊動黏性系數。

對于數值模擬計算紊流模型的選取，分別使用標準k-ε，RNGk-ε，SSTk-ε，SSG 四種紊流模型對原始方案進行計算。分析收斂曲線可以發現，標準k-ε模型與SSTk-ε模型均收斂穩定，收斂效果較好，但SSTk-ε模型的收斂速度慢于標準k-ε模型，RNGk-ε模型和SSG 模型在現有計算模型中無法達到收斂效果，因此在本文的數值模擬計算中，將基于標準k-ε模型進行計算。

1.3 網格無關性分析

根據泵站進水結構的特點將其模型整體分為3 個部分（引河、前池及進水池），為提高網格質量，對模型的3個部分分別采用0.05、0.025、0.012 5 m 的網格尺寸進行劃分，以滿足計算要求。圖2是原始方案模型在不同網格數量級下的水力損失變化曲線圖。結果表明，原始方案下，當模型的網格數量超過110萬個時，水力損失的變化較小。為了提高計算效率，在后續的數值模擬計算中，確定網格數量為110萬個左右。

圖2 不同網格數量下的水利損失Fig.2 Hydraulic loss with different mesh quantities

1.4 邊界條件

在本文的數值模擬計算中，對模型采用的邊界條件和參數分別如下：

（1）進口邊界：取用質量流進口，中等紊流強度Tu=5%。

（2）出口邊界：以水泵出水流道出口為出口邊界，出口斷面與水流方向垂直，出口條件為一個標準大氣壓。

（3）壁面邊界：將引河、前池及進水池處的邊壁和底部視為無滑移的光滑壁面，采用標準壁面函數進行設定。

（4）自由液面：引河、前池和進水池的水流表面均為自由液面，忽略空氣對水面的切應力作用，計算時選用“剛蓋假定”［12］，將自由液面設為對稱邊界。

2 特征斷面及評價指標

2.1 特征斷面

本文在數值模擬計算中，在前池內選出兩個水平剖面和一個垂直縱剖面作為特征斷面，數值模擬后，繪制特征斷面的流態流場圖，計算出流態評價指標。如圖3，垂直于主流方向的垂直縱剖面A 斷面，通過計算能夠定量分析進水池進口斷面的流速均勻度和加權平均角度。水平剖面取兩個特征剖面，分別為面層、底層，能夠觀察進水池內不同層面產生的流態。

圖3 特征斷面示意圖Fig.3 Feature section diagram

2.2 評價指標

選用特征斷面速度分布均勻度Vu作為評價指標評判整流效果。斷面流速分布均勻度Vu的理想值為100%，數值越高則特征斷面處流速分布越均勻。流速均勻度計算公式［13］為：

式中：Vai為斷面各節點的軸向速度；Vau為軸向速度分布均勻度；Va為斷面平均軸向速度；n為節點的數目。

斷面速度加權平均角度是衡量特征斷面上橫向流速的重要指標。θ值的理想值為90°。速度加權平均角的計算公式為：

式中：θ為斷面速度加權平均角度；Vti為斷面第i個單元的橫向速度。

3 數值模擬方案

3.1 原始方案

水流從引河段正向流入前池，圖4為原始方案下的流線圖，該方案前池內未施加任何整流措施。表1為原始方案進水流道斷面的流速均勻度和加權平均角數值。

表1 原始方案各進水流道A斷面流速均勻度和加權平均角數值Tab.1 Axial velocity uniformity and weighted average angle on section A of the original scheme

圖4 原始方案流線圖Fig.4 Streamline diagram of the original scheme

由圖4可以發現，水流在進入前池后無法及時充分地擴散，導致前池兩側水流脫壁產生回流，在前池兩側邊壁處出現旋渦，旋渦面積由面層至底層逐漸增大，甚至出現進水流裹挾旋渦進入進水池，在1號和4號進水池前端形成旋渦和低流速區。

綜合表1 和圖4 可知，2 號和3 號進水池特征斷面的流速均勻度和加權平均角度較高，而1 號和4 號進水池較低，主要原因是受前池兩側邊壁處旋渦回流區和進水流在進水池前發生橫向擴散的影響，壓縮了1 號和4 號進水池的進水空間，形成側向進水的現象，導致隔墩進口處水流側向進入，引起進水池內發生水流偏斜的不良流態。

3.2 整流措施方案的設計

針對大擴散角泵站存在的不良流態，本文共設計了如表2所示的6種楔形導流墩整流方案，通過調整整流措施位置、尺寸與組合方式，改善前池內存在的不良流態。表2 中D為水泵吸水管直徑。

表2 整流方案Tab.2 Rectification schemes

楔形導流墩的具體尺寸及布置見圖5。各方案中楔形導流墩高度均從引河底向上0.2倍水深處向下延伸至前池底面。

圖5 整流方案示意圖Fig.5 Drawings of rectification measurea for schemes

3.3 整流措施方案的數值模擬

A 斷面處1 號和4 號進水池流速分布均勻度和加權平均角計算結果示于表3。圖6為各方案流線圖。

表3 各整流方案斷面流速均勻度和加權平均角數值Tab.3 Axial velocity uniformity and weighted average angle on section for each scheme

綜合表3和圖6可見，方案1在泵站前池進口處可以很好地起到分流作用，高速水流徹底消除了前池兩側旋渦，提高了1號和4號進水池的斷面流速均勻度和流速加權平均角。但由于楔形導流墩尺寸、位置等因素選擇不合理，在導流墩后形成大面積的低流速區，流態紊亂，在進水池中出現嚴重偏流現象。

圖6 各整流方案流線圖Fig.6 Streamline diagram of various rectification schemes

方案2：由于導流墩變小，在1 號和4 號進水池內側邊壁處已開始出現小范圍的低流速區；在2 號和3 號進水池中的低流速區面積有所減小，斷面流速均勻度有一定程度的提升，但仍存在較為嚴重的偏流。

方案3：該方案能夠有效地減小進水池前端的低流速區，1號和4 號進水池的斷面流速均勻度有小幅度的提升，但由于導流墩尺寸過小，分流效果減弱，對前池兩側的旋渦區影響較小，1號和4號進水池面層仍然存在偏流現象，整流效果不佳。

方案4：該方案在不影響2號和3號進水池中水流流態的同時，對前池內旋渦范圍有明顯的壓縮，減小了旋渦區面積，同時1 號和4 號進水池的斷面流速均勻度提升較大；但由于旋渦區沒有得到完全消除，面層水流仍存在偏流現象。

方案5：對比方案4，面層和底層的低流速區面積都有所增加，壓縮了1 號和4 號進水池前端的進水空間，面層水流仍存在嚴重的偏流現象。

方案6：該方案下水流在進入前池時能在導流墩的引導下快速地擴散，較好的貼合在前池兩側邊壁上，避免了旋渦區的產生，1 號至4 號進水池內水流流態平順穩定，斷面處的流速均勻度均得到了大幅度提升，各進水池的斷面流速均勻度和加權平均角分布較為平均，有效地改善了該泵站的進水流態。

4 模型試驗

為了驗證數值計算結果，應用模型試驗的方法對泵站前池及進水池進行了物理模型試驗，將原始方案及最佳整流方案結果與數值模擬結果對比分析，以驗證數值模擬的可靠性。

4.1 模型試驗裝置設計

本文中所建立的水力模型包括引河、前池、進水池、進水管等進水建筑物，以1∶15 的模型比尺建立水工試驗模型。試驗中，在相應管道上安裝電磁流量計，測得各泵的流量，并通過閘閥控制確保各個泵的流量相同。模型試驗中，通過選用泡沫懸浮粒子，使其懸浮于水流表面，水流流動時懸浮粒子隨著水流移動表征面層水流流態。對于底層流態，通過在前池底部設置絲線，表征出水流的流動方向。試驗裝置平面布置圖和實物圖如圖7所示。

圖7 試驗裝置圖Fig.7 Diagram of model test facility

4.2 原始方案

原始方案下，將實拍圖繪制出流線圖如圖8所示，便于與數值模擬流線圖進行比對分析。

在原方案下，對比模型試驗流線圖（圖8）與數值模擬流線圖（圖4），考慮到誤差的影響，兩者結果基本相同。

圖8 原始方案流線圖Fig.8 Streamline diagram of the original scheme

4.3 最佳整流方案

通過比較數值模擬的6 個方案，方案6 可以取得最佳整流效果。在模型試驗中，導流墩后出現小面積的旋渦區，在進水池進口處得以消除，對各個進水池中的流態未造成影響。采取整流方案6的模型試驗流線圖如圖9所示。

圖9 最佳方案流線圖Fig.9 Streamline diagram of the best scheme

在方案8 下，對比模型試驗流線圖（圖9）與數值模擬流線圖（圖4），模型試驗的結果基本與數值模擬一致，驗證了整流方案的合理性。

5 結論

采用數值模擬和模型試驗相結合的方法，研究了在前池內加設楔形導流墩對前池內流態的改善效果。結果表明：采用多個楔形導流墩組合的方式為最佳的整流方案，當在前池進口處布置一個頂角角度為90°，底邊長度為1.2D的楔形導流墩，在其后2D處布置兩個相距3.2D的對稱式楔形導流墩時，可以取得最佳整流效果。□