徐州市柳新一站三维湍流数值模拟研究

邹福建 张 楚 李洋洋 董 雷 杨 宁

（1.徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221000 2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司徐州分公司 徐州 221000）

1 引言

徐辉[1]、王雪丰[2]、郭磊[2]在对泵站前池流态的改善措施研究中都提到，侧向进水时前池中容易形成回流、漩涡等不良流态，难以创造出良好的水泵进水条件。经过多年的研究，被验证能够有效改善侧向进水流态的整流措施概括起来主要有以下几类：（1）导流栅、导流墩、导流墙整流方式；（2）立柱、底坎、压水板整流方式；（3）配水孔整流方式等。其中立柱、底坎、压水板整流方式以“挡”为主，通过调整断面的水流结构，使水流之间互相掺混，从而在下游不远处获得比较均匀的流动。这类整流方法具有很好的适用性，对于弯道流动、扩散流动和其他来流条件较差的流动，都能够很好地弱化来流中的横向流速，使下游形成纵向和横向都比较均匀的流动。

底坎整流是比较常见的整流方法，研究成果和应用实例很多，如冯旭松[3]的《泵站前池底坎整流及坎后流动分析》，徐辉、田家山[4]的《泵站前池回流现象与消除方法的试验研究》，成立、刘超、周济人、汤方平[5]的《泵站前池底坝整流数值模拟研究》，汤正军[6]的《江都抽水站引河流态改善的模型试验》，成立[7]的《泵站进水弯道三维流动分析及流态改善研究》，史海冰[8]的《长江引水三期取水泵站前池流态问题的解决方案》等。通过理论分析、模型试验和模拟计算研究，徐辉等从涡流理论出发对立柱辅助底坎整流的机理进行了详细的阐述，并给出底坎的经验设计参数；冯旭松在纵向二维流动情况下对底坎整流进行理论分析，并对底坎的几何设计和设置位置提出建议。

实际工程中还常见立柱与底坎组合的整流方法。底坎整流广为工程采用，具有很好的整流效果，虽然也存在容易导致底坎附近泥沙淤积，增加前池的清淤工作量，淤积后可能改变了前池的流场分布，影响到整流效果等问题，但底坎整流技术具有施工简单、经济易行、效果显著、适用性好的特点。本文以柳新一站泵站改造为例，研究泵站侧向进水的底坎整流。

2 工程概况

徐州市郑集河泵站改造工程柳新一号站安装4台（套）900ZLB-85 型轴流泵，转速485r/min，配JSL138-12 155kW 电机，设计流量9.0m3/s，设计净扬程3.30m，总装机功率620kW。

表1 柳新一站设计参数表

图1 桃园河及泵站段网格剖分图

图2 水面流速等值线图

图3 水面以下2.5m 流速等值线图

泵站进水为侧向进水。前池两侧为八字形钢筋混凝土挡土墙，引导水流平顺进入进水池。站上出水为正向出水池接穿堤涵洞。

泵站采用块基型结构，站身现浇钢筋混凝土结构均为C25。根据水泵的结构特点和有关参数，站身采用湿室型结构，4 台套机组呈一列式布置。开敞式进水池进水，ω 形后壁，弯管出水。柳新一站设计参数见表1。

3 侧向进水未设计整流措施流态研究

3.1 泵站枢纽物理模型建构与网格剖分

根据工程建设站址优选的要求，结合徐州市柳新一站站址地形和泵站总体布置，确定泵站枢纽三维湍流数值模拟物理模型建构范围包括桃园河段和泵站段。为合理给定出口边界条件，将计算区域的进出口断面向外适当延伸。桃园河及泵站段网格剖分图见图1。

3.2 计算结果与分析

本研究利用流体动力学通用计算软件Fluent，基于雷诺平均N-S 方程和标准k-ε 双方程湍流模型对柳新一站进行了三维数值模拟计算。计算按设计水位、流量进行，即站下设计水位为31.0m，河底及进水池底高程为28.0m，水深3.0m，泵站流量为9.0m3/s。

为方便分析和直观反映流场情况，在计算区域中选取一些特征断面。其中水平特征断面包括：水面、水面以下1.5m 平面、水面以下2.5m 平面。

从图2、图3 中可见，由于侧向进水，水流极不稳定，前池中流速分布不均匀，不同高程上的也不尽相同。四个进水池中的流速都不均匀、不对称，流态差，流量分配不均匀，不能为水泵创造良好的进水条件。

垂直特征断面流速分布云图上同样可见前池前端的高速水流区和低速回漩区。从进水池的中心纵剖面流速分布图上可见四个进水池内的水流状态不相同，流量分配不均匀。同时还可见水流在各剖面的垂直方向上也不稳定，流速波动很大。

4 整流方案设计研究

4.1 整流方案设计

根据冯旭松的《泵站前池底坎整流及坎后流动分析》一文建议和其他相关研究经验，本研究提出2 个初步方案进行模拟仿真计算，并通过对计算结果的分析，将选择出最优方案。底坎结构、尺寸与位置见图4。

4.2 成果分析

为方便分析和直观反映流场情况，在计算区域中选取一些特征断面。其中水平特征断面包括：水面、水面以下1.5m 平面、水面以下2.5m 平面。各水平特征断面流速分布见图5、图6。

从水平面流速分布图可见：利用底坎人为地造成坎后立面漩滚，破坏平面回流，通过坎后水流充分紊动扩散，从而在底坎下游不远处获得比较均匀的流动；前池中无大面积回漩，进水池中的流态得到一定程度的改善。从垂直特征断面流速分布云图上可见：底坎下游出现立面漩滚，水流有明显的分离区、再附区和发展区；但进水池中的水流条件却得到一定改善，四个进水池中的流速分布相似性提高，每个进水池中水流对称性也有改善，说明底坎起到一定整流作用。

图4 底坎结构、尺寸图

图5 z 方向垂直断面流速分布云图（1#方案）

图6 z 方向垂直断面流速分布云图（2#方案）

根据以上分析，1#方案整流效果最佳，因此初步决定选用1#底坎方案进行下一步验算。

5 结论

（1）运用三维湍流数值模拟技术，对江苏省徐州市柳新一站侧向进水前池的水流运动进行了研究，对比分析了2 个底坎整流方案，优选出最优方案。结果表明，底坎具有明显的整流效果，可改善前池中的流态。

（2）经对比分析，1#方案在设计水位和设计流量条件下，整流效果最佳。其主要参数为：坎高H=0.275H水深=0.65m。

（3）在站下最低水位时，站下水深为2.3m，此时坎高H=0.391H最小水深，在《泵站前池底坎整流及坎后流动分析》一文建议的整流底坎坎高范围内，泵站仍可正常运行。

（4）建议选用1#底坎整流方案，结合原有平面设计，可改善柳新一站进水流态，为水泵创造较好的进水条件■