復雜工況下泵站進水口水力特性研究

張忠孝

(東港市水利事務服務中心，遼寧 東港 118300)

0 引 言

泵站是水利工程不可或缺的一部分，可以實現農業灌溉水、工業用水、生活用水的長距離運輸，保障社會經濟的可持續發展[1-6]。但是在泵站運行過程中，進水口附近區域時常會出現漩渦，由于漩渦會產生吸氣現象，從而導致空化、機組振動、機組運行效率降低以及卷入漂浮物等問題，對于泵站的長期安全與穩定運行造成負面影響[7-8]。

影響泵站進水口水力特性的因素較多，如進水口方向、角度、進水流量、進水口布置形式、淹沒深度等[9-13]。其中，進水口淹沒深度是較重要的因素之一，淹沒深度會導致泵站存在死水區域，當來水經過死水區域時由于流速分布變得極不均勻，就容易形成漩渦。淹沒深度不僅關系著泵站的長期安全運行，而且還與工程成本直接相關，淹沒深度過大或者過小均不能達到良好的工程效益。因此，有必要針對復雜工況下的泵站進水口水力特性進行研究。

本文利用數值模擬方式，對0.8、1和1.2 m3/s共3種流量以及-0.1、0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 m共8種淹沒深度下的泵站進水口漩渦水力特性進行模擬分析，以期能為泵站設計和運行提供參考。

1 基本理論

在流體力學當中，主要存在連續方程、動量守恒方程以及能量守恒方程等三大控制方程，由于自然界水體屬于單向流動，不涉及化學反應，因而本文僅考慮流體的連續性和動量守恒。選定控制方程后，需要進行計算區域的離散化，常用的控制方程離散化方法有有限差分法、有限單元法、有限體積法等，其中有限體積法具有運算速度快的優點，故本文采用有限體積法。前人研究表明，Realizablek-ε模型在進行泵站前池數值模擬時，漩渦范圍與實際情況更加符合，因而本文選用Realizablek-ε模型作為數值模擬時的湍流模型[14]。

2 數值模型

2.1 幾何模型及邊界條件

采用UG10軟件構建泵站進水口幾何模型。該進水口包括5臺泵站機組(流道頂板厚度h1=1.2 m)，將建立好的泵站幾何模型導入Fluent數值模擬軟件中進行網格劃分。在Fluent軟件中，泵站出口處設置為自由出流邊界條件，泵站進口處選用流量進口，自由表面選用剛蓋假定，泵站前池、流道邊壁、引渠等結構均采用無滑移的邊界條件[15]。

2.2 網格劃分

采用Mesh軟件對泵站進行網格劃分，將泵站劃分為四面體網格結構。為了計算精確，在邊墩等位置處采取網格加密處理，正常網格的大小尺寸為0.2 m的四面體，加密網格的大小尺寸為0.02 m的四面體，整個模型網格數量達到202×104個，經網格劃分后的模型見圖1。

圖1 泵站進水口數值模型

網格劃分太稀會增加模型計算的離散誤差，導致仿真計算結果與實際結果相差較大；網格劃分太密，會導致模擬計算時間大大延長，影響計算分析效率，因而必須進行網格無關性分析。以前池水力損失作為泵站模型網格劃分無關性的特征參數，分別計算得到前池水力損失隨網格數量的變化曲線，見圖2。從圖2中可以看到，隨著網格數量的增加，前池水力損失呈先增大后逐漸穩定的變化特征，當網格數量>200×104個時，前池水力損失為0.021 5 m，之后便不再隨網格數量的變化而變化。因此，本文劃分的網格數量為202×104個具有無關性。

圖2 前池水力損失隨網格數量變化

2.3 工況設計

為了更全面地了解各種工況下泵站進水口的漩渦特性，設計0.8、1和1.2 m3/s這3種不同流量，每種流量下進水口淹沒深度分別為-0.1、0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 m。以1#機組進水口為研究對象，在每種工況下，從上往下選取表面層、進水口頂板、進水口頂板以下0.2 m共3個水平斷面進行漩渦分析。

3 結果分析

3.1 渦量值與水位關系

不同工況下渦量隨水位的變化關系見圖3。

圖3 不同工況下渦量隨水位變化特征曲線

從圖3中可知，當淹沒深度為-0.1和0 m時，隨著水位的上升，渦量值逐漸增大；當淹沒深度≥0.1 m后，隨著水位上升，渦量呈先增大后減小的變化特征，最大渦量值出現在水位1.2 m處。這說明在水位較淺的表層區域，渦流強度隨著水深增大而逐漸增大，渦流強度在頂板附近達到最大值；此后隨著水深增加，渦流強度逐漸減小，這主要是因為當泵站存在淹沒深度時，在進水口處就會形成死水區域，當外面流水進入這些死水區域后，會造成這個區域水流流速紊亂，表面層作為水體跟空氣的交界面，在交界面處存在明顯的剪切作用，并跟隨水體深度生不斷的能量交換，當來流運動到隔墩附近時就會出現脫流現象，從而導致在交界面出現角動量，為渦流的產生創造了條件；當水位達到一定深度后，此時渦量耗散能量逐漸大于積累的能量，因而渦量值會逐漸減低。

3.2 渦量值與流量關系

不同流量下渦核區域渦量值見表1。從表1中可以看到，當流量一定時，統一淹沒深度下，進水口頂板處的渦量值最大，其次為進水口頂板以下0.2 m，最小的為表面層處，這與上文分析結果一致；在同一位置處，隨著淹沒深度的增加，渦量值呈先增大后減小的變化特征，最大渦量值出現在淹沒深度為0.5 m時，這說明在淹沒深度為0.5 m時，泵站進水口死水區域更容易形成渦流并有利于渦流的持續發展。對比相同位置和淹沒深度下的不同流量的渦量值可以發現，隨著流量的增大，渦量最大值逐漸增大，這是因為流量越大，水的流速越大，動能越大，漩渦強度越大，因而渦量值也越大。

表1 不同工況渦量值與流量的關系

3.3 最大渦量值與淹沒深度的關系

不同工況下最大渦量值隨淹沒深度的變化關系見圖4。從圖4中可以看到，相同流量下，當淹沒深度小于0.5 m時，隨著淹沒深度的增加，泵站進水口處的最大渦量值逐漸增大；當淹沒深度大于0.5 m時，最大渦量值隨著淹沒深度的增加逐漸減小，最大渦量值出現在淹沒深度0.5 m處，隨著流量的增大，最大渦量值也逐漸增大，當泵站進水口寬高比一定時，存在臨界淹沒深度，當淹沒深度達到這一數值時，進水口將發生較為嚴重的漩渦現象。

圖4 不同工況最大渦量值與淹沒深度的關系

3.4 討 論

通過以上分析可知，泵站進水口漩渦與流量和淹沒深度息息相關，特別是淹沒深度對渦量值的影響最為明顯；在不同的流量下，最大渦量值均出現在流道頂板區域附近，且當淹沒深度為0.5 m時，渦量值最大。從理論上講，為了減小漩渦對泵站進水口水力特性的影響，應將淹沒深度設置為小于0.5 m或者大于0.5 m，但是當淹沒深度小于0.5 m時，泵站進水口處的流速分布又會變得異常紊亂、極不均勻；當淹沒深度為0.9 m左右時，流速分布最為均勻，因此從改善流速分布和減小渦量綜合考慮，將淹沒深度設置為0.9 m最為合適。

4 結 語

采用數值模擬方式，對不同流量和淹沒深度下的泵站進水口漩渦水力特性進行分析，結論如下：

1) 淹沒深度一定時，不同流量工況下，最大渦量值均出現在流道頂板附近區域；隨著流量的增加，漩渦值逐漸增大。

2) 流量一定時，隨著淹沒深度的增加，最大渦量值呈先增大后減小的變化特征；當淹沒深度為0.5 m時，渦量值最大。

3) 從流速分布均勻性和控制渦量大小綜合考慮，認為淹沒深度設置為0.9 m時，泵站進水口水力特性最佳。

4) 受限于研究數據和資料的不足，本文僅對流量和淹沒深度兩個因素進行了模擬分析，關于其他因素的綜合影響還需要在今后做進一步研究。