復雜進流條件下泵站進水流態優化試驗

奚 斌, 陳志剛, 陳葉欣, 沈世煊, 張雄偉, 徐 健, 王欣昱

(揚州大學水利科學與工程學院, 江蘇 揚州 225127)

水利工程的規劃設計通常會受到征地和投資的影響, 閘站結合工程為一體化布置, 其結構緊湊, 占地面積少, 在一些地區被廣泛應用．然而, 閘站結合的布置形式易導致泵站運行時水流流向偏折, 并在泵站前池引起較大的橫向流速, 致使泵站進水池產生吸氣漩渦．目前, 主要采用物理模型試驗[1-3]和數值模擬分析[4-8]等方法進行泵站前池水流流態的研究．Xi等[9]采用數值模擬與物理模型試驗相結合的方法,研究了不同孔高比的鏤空式整流底坎對泵站前池流態的影響; Yang等[10]針對橫向取水泵站前池不良流態的問題, 設置整流柱和開孔導流墻, 減少了渦流面積, 提高了流速均勻性; Xi等[11]使用數值模擬方法優化閘站結合工程的不良流態, 提出導流墩能夠縮小回流范圍,改善進水流速分布; Yan等[12]采用1∶12的物理模型分析超短前池不良流態產生的原因, 全面優化進水流場．現有研究多以兩建筑物組合的閘、站結合式泵站為主, 關于多建筑物組合式泵站復雜進流條件下的整流研究鮮見報道．本文以某閘、站、橋結合式復雜泵站工程為研究對象, 擬設計閘站水工模型,并采用UG12.0軟件對閘站的進水過程進行建模, 通過物理模型試驗和數值模擬對比分析不同優化措施下前池的面層流場和進水流道斷面的流速均勻度, 確定最佳整流方案, 以期為類似工程提供借鑒和參考．

1 工程概況

某閘、站、橋結合式泵站已建工程位于河道左岸, 為現狀排澇閘, 共有閘室3孔, 單孔凈寬6.6 m, 底高程-1.87 m．為提升工程排澇能力, 河道右岸擬建一座排澇閘與泵站整體布置的閘站結合式泵站, 工程平面圖如圖1所示. 擬建工程共有閘室3孔, 其中泵站左側2孔, 右側1孔, 單孔凈寬6 m, 底高程-1.87 m．泵站斜向進水口布置于規劃橋梁橋墩的下游側, 與上游河道軸線夾角約16°, 泵站設計排澇流量60 m3·s-1, 最低水位運行工況下上游水位0.8 m, 下游水位1.6 m, 揚程0.8 m, 前池底高程-8 m, 前池坡比1∶4．泵站采用3臺軸流泵, 為肘形進水流道, 單泵流量20 m3·s-1, 與排澇閘聯合運行．初步設計方案如下: 采用高程為0 m的低矮隔墩將排澇閘與泵站進水池隔開, 隔墩之間布置高度為0.5 m的底坎．在此方案下, 水流越過隔墩時將產生較大的橫向流速, 易造成部分泵組進水池的水流偏流, 致使進水池內產生吸氣漩渦, 影響機組的安全運行．

圖1 閘站工程平面圖(m)Fig.1 Plan graph of sluice-pump station

2 模型建立與評價

2.1 物理模型及數據采集

為研究泵站在典型水位運行時的水流流態, 設計閘站水工模型,模型布置如圖2所示．按照相似準則及相關規程, 結合平面布置及試驗大廳場地條件, 確定模型幾何比尺為40, 相應的流速比尺、流量比尺和糙率比尺分別為6.324, 10 119.289和1.849．根據糙率相似性, 閘站混凝土部分采用有機玻璃板制作, 引河、前池、外海段以及進出水箱采用聚氯乙烯板制作,防沖槽部位用碎屑和黏合膠進行加糙處理．

圖2 水工模型布置圖Fig.2 Layout photo of hydraulic model

試驗中流量采用電磁流量計和超聲波流量計互驗測量, 并利用三角堰對單泵流量進行校核; 水位采用水位儀和測壓管水位測量法互校測量; 面層流場采用數字粒子圖像測速(digital particle image velocimetry, DPIV)系統測量．

2.2 計算模型及邊界條件

采用UG12.0軟件對閘站的進水過程進行建模, 三維模型如圖3所示．本文主要研究泵站前池流態, 模型由引河、泵站前池、進水池、橋墩和排澇閘等組成．

圖3 數值模擬三維模型Fig.3 Three-dimensional numerical simulation model

將引河進口斷面設置為數值模擬計算域的進口邊界, 采用質量流量入口邊界, 進水總流量為60 m3·s-1, 中等湍流強度T=5%; 泵站3個進水流道的進口斷面設置為數值模擬計算域的出口邊界, 每個出口采用自由出流邊界．計算域內水位變化較小, 自由液面采用對稱邊界處理, 忽略空氣對水面的切應力作用．除進出口和自由液面外, 其余部分均為固體邊界．設置最大迭代步數為1 000, 默認監控參數保持不變, 收斂精度為10-3．

利用ANSYS軟件中的mesh工具對三維模型進行網格劃分, 采用對幾何結構邊界適應性強的四面體非結構化網格．網格無關性分析結果如圖4所示, 當網格總數為3.43×106時, 總水力損失基本一致, 差值在2%以內, 滿足計算要求．

圖4 網格無關性分析Fig.4 Irrelative Analysis of grid

2.3 流速均勻度計算

圖5 測點位置示意圖Fig.5 Location of measuring points

3 優化方案

3.1 導流墩頭優化

設計15°,25°,30°,45°,60°等5種角度的導流墩頭, 模擬不同角度的導流墩頭對前池流態的影響, 得到如圖6所示的面層流線云圖, 如圖6所示．由圖6可知, 15°和25°導流墩頭過長, 導致兩側水流進入前池后,在導流墩內側形成低速回流區, 使水流無法順直進入進水池, 且進水池內存在大范圍的回流區, 整流效果較差; 60°導流墩頭較短, 水流進入前池的角度過大, 且沒有足夠的距離進行水流調整, 整流效果較差; 導流墩頭角度為30°和45°時, 兩側水流進入前池的角度較小, 且留有一定的水流調整距離, 同時兩側來流和正向來流的相互影響較小, 水流可以較為順直地進入進水池．

圖6 不同角度導流墩頭下的面層流線云圖Fig.6 Surface streamline cloud image under diversion pier head at different angles

計算不同角度導流墩頭下進水流道斷面的流速均勻度, 結果如表1所示．結合圖6和表1可知: 當導流墩頭角度小于30°, 長寬比大于1.5時, 導流墩頭內側存在低速回流區, 隨著導流墩頭角度增加, 長寬比減小, 回流區范圍逐漸減小, 進水流道斷面的流速均勻度隨之增加; 當導流墩頭大于30°, 長寬比小于1.5時, 導流墩頭內側的低速回流區消失, 但隨著導流墩頭角度增大, 長寬比減小, 水流從兩側進入前池的角度增加, 并且水流沒有足夠的調整距離, 故流速均勻度也逐漸減?。C上, 最佳導流墩頭角度為30°．

表1 不同角度導流墩頭下進水流道斷面流速均勻度

3.2 組合優化措施

為進一步改善閘站前池流態, 選取30°導流墩頭的同時增加多種工程措施, 包括將原設計底坎更換為鏤空底坎, 在泵站兩側等間距位置布置整流柱等．分析不同優化措施對前池及進水池偏流的改善效果, 繪制不同優化措施下面層流線云圖, 并計算不同優化措施下的流速均勻度, 結果如圖7和表2所示．

表2 不同優化措施下的流速均勻度

圖7 不同優化措施下面層流線云圖Fig.7 Streamline nephogram under different optimization measures

由圖7和表2可知: 設置鏤空底坎的優化方案6與優化方案3相比, 通過底坎鏤空部分的底層水流會與前池的側向來流碰撞、混摻, 發生動量與能量的交換, 從而調整側向來流, 提高了1號和3號進水流道的過流均勻性, 而2號進水流道高速區偏向一側, 故整體流速均勻度略微下降; 設置整流柱的優化方案7與優化方案3相比, 雖然整流柱具有阻水分流的作用, 但兩側水流的過水斷面減小, 流速增加, 造成1號和3號進水流道的流速差增加, 流速均勻度下降了2.76%, 說明僅加入整流柱對于進水流道進口斷面整體的流速均勻度起到了負優化效果; 同時設置鏤空底坎和整流柱的優化方案8與單一優化方案相比, 不僅發揮了整流柱的分流作用, 而且通過底坎鏤空部分的底層水流會對繞過整流柱的側向來流碰撞、混摻, 動量與能量的交換更加充分,從而調整側向來流, 提高了1號和3號進水流道的過流均勻性, 同時對2號進水流道影響較小, 進水流道斷面的流速均勻度為92.64%, 相比優化方案3有較大提升．綜上, 30°導流墩頭+鏤空底坎+整流柱的組合優化方案可有效改善前池的偏流現象．