双侧向进水泵站前池流态数值模拟研究

罗 灿，刘 浩，施 伟，成 立，祁卫军

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.南水北调东线江苏水源有限责任公司，南京 210001；3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司南京分公司，南京 211102)

0 引 言

侧向进水指前池来流方向与前池主流方向存在夹角，前池中容易形成回流、旋涡等不良流态，难以创造出良好的水泵进水条件[1]。针对侧向进水泵站前池和进水结构内部流态，国内外学者已展开了大量的研究工作。成立[2]、张雪[2]等采用数值模拟方法分析了导流墩在前池流态改善中的作用；赵苗苗[4]、徐波[5]、罗灿[6]等运用CFD软件研究了导流墩在闸站结合泵站前池中的整流效果；周济人[7]、罗灿[8]等通过物理模型试验并结合数值模拟研究发现在前池中设置底坎可以有效地改善流态,并阐述了底坎的整流机理[9,10]；夏臣智[11]等基于N-S方程和RNGk-ε湍流模型分析了单排方柱及其布置方式在泵站前池内的整流效果，结果表明单排方柱的位置对前池内流态改善有明显影响。通过分析发现，立柱和底坎均在前池流态改善中有良好的作用，但是对于立柱和底坎组合在前池内的整流机理的研究较少。某泵站由新站和老站组成，均为侧向进水布置，针对该双侧向进水泵站前池内存在的不良流态，本文提出了不同的导控措施，分别就各导控措施的流态改善效果展开数值模拟分析，并将计算结果与试验结果进行对比，为改善同类侧向进水前池流态提供一定参考。

1 计算模型及数值计算方法

1.1 控制方程

泵站内的流动一般为高雷诺数的湍流运动，采用RNGk-ε湍流模型和雷诺时均N-S方程描述该流动，其控制方程包括连续性方程和动量方程，即公式(1)和公式(2)。

(1)

(2)

式中:ui分别为x、y、z方向的速度分量；p为压力；ρ为流体密度；g为重力加速度；v为水的运动黏性系数；vt为紊动黏性系数。

1.2 计算域

在UG9.0软件中构建了该泵站的三维流体域，按照水流的方向依次为引渠、前池、进水池、出水管，图中出水管包括水泵吸水喇叭管和出水直管。如图1所示，断面1-1为计算站前行近流速取值断面，距进水管中心线1.6D，图2中B1=90D，B2=24.82D，B3=11.5D，其中D为水泵叶轮直径为1 000 mm，各机组的站前行近流速取测速断面上正对吸水管中心测线上的平均速度。

图1 计算区域示意图Fig.1 Computational domains

图2 模型尺寸示意图Fig.2 Model dimension

1.3 边界条件

进口设置在水流进水处，为质量流量进口，进口流量设置为22 500 kg/s；出口设置在进水池内出水管的出口侧，设为自由出流条件，参考压力为1 atm；前池液面为刚盖假定，设为对称边界条件；计算域其余壁面皆为固体边界，并采用标准壁面函数进行处理；计算过程选用一阶迎风格式，收敛精度设置为10-4。

1.4 网格无关性校核

在ANSYS-mesh中采用非结构化网格分别对引渠、进水池和前池进行网格离散，其中对新站进水池和前池部分进行网格加密，前池和进水池边壁设置边界层，层数5层，增长率1.2，图3为网格划分示意图。

图3 网格划分示意图Fig.3 Mesh generation

网格的数量会影响到数值计算结果的准确性，为此剖分了7组网格进行网格无关性分析，网格数分别为69.7、91.4、191、221、250、281和310 万个，将总水力损失作为网格无关性分析的特征参数，可采用公式(3)通过进、出口的压差来计算总水力损失：

(3)

式中：Δh为总水力损失；Pin为进口处总压强，kPa；Pout为出口处总压强，kPa；ρ为水的密度，取1×103kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

图4为不同网格数量时的总水力损失，当网格数量超过221 万时，总水力损失无明显变化，相对误差控制在±2%以内[12]，网格数量可以满足要求。

图4 不同网格方案时水力损失对比图Fig.4 Comparison of hydraulic loss of different mesh schemes

1.5 试验验证

为了对数值模拟结果进行验证，设计开展了模型试验研究，对新站和老站同时运行工况下的流动特征进行了捕捉，图5中，从左到右依次为1～5号进水池进口的轴向速度分布，单位为m/s，为了分析数值模拟结果和试验结果的误差，采用平均量和离散特征量2个值来对误差进行分析，将图5中各测线上的计算平均轴向速度和试验平均轴向速度求出，最后得到两者之间的差值和相对误差；接着通过标准差的大小来判定测点上的计算结果和试验结果与平均量之间的差别，标准差越大，说明结果相对于平均值的偏差越大，轴向速度分布越不均匀，标准差越小，说明结果相对于平均值的偏差越小，轴向速度分布越均匀，5条测线上的计算平均轴向速度和试验平均轴向速度之间的相对误差最大为6.90%，最小为3.31%，试验轴向速度标准差整体小于计算轴向速度标准差。通过数值模拟得到的进水池进口的流速分布与模型试验结果趋势基本一致。

图5 进水池进口轴向速度分布图Fig.5 Axial velocity distribution on the inlet of sump

图6可以看出数值模拟的变化趋势与试验结果[13,14]基本一致。这表明这种数值模拟方法是可靠的。

图6 站前平均行近流速分布图Fig.6 Near-flow velocity distribution in the original scheme station

2 运行方案及导控措施

2.1 运行工况

根据调水需求，该泵站分别在老站单独运行、新站单独运行、“老站+新站”同时运行3种工况下运行，分别记作工况一、工况二和工况三。图7(a)为原方案在老站单独运行面层流态分布，老站进水池内流态平顺，无回流发生，新站前池内存在大尺度回流；工况二下，新站单独运行，老站前池出现大面积的回流区，新站引渠和前池交界处流速变大；工况三下，新站和老站同时运行，此时老站前池内水流平稳，新站引渠右侧存在回流区。可以看出3个工况下的流态都不均匀。

图7 原方案不同工况下面层流线分布图Fig.7 Surface streamlines of the original scheme under different conditions

2.2 导控措施

为了解决原方案前池和进水池存在的回流等流态问题，设置了3种导控措施，其中方案1为方形立柱导控措施，方案2为矩形底坎导控措施，方案3为“矩形底坎+方形立柱”组合导控措施，通过对比分析3种方案的导控效果选取最优的导控措施。各导控措施的形状和尺寸如图8所示，将各导控措施的尺寸分为位置尺寸和几何尺寸，位置尺寸包括L1～L6，几何尺寸包括W1～W5。其中D为出水管直径，L1是最左侧立柱到边壁的距离，L2是立柱到进水池后壁的距离，L3是底坎到边壁的距离，L4是底坎到进水池后壁的距离，L5是设置底坎的长度，L6是同时设置底坎和立柱时底坎和立柱之间的距离；W1和W2是单个立柱截面的尺寸，W3是各个立柱之间的距离，W4是底坎截面的宽，W5是底坎截面的高度。将各导控措施的尺寸列于表1中。

图8 各导控措施及细部Fig.8 Rectification measures of each scheme

表1 导控措施尺寸Tab.1 Geometrical dimensions

3 结果分析

3.1 特征断面和分析参数选取

分别截取了水平剖面Z=0.05H和Z=0.95H来分析新站前池面层和底层流态，其中H为前池水深。此外，引入了速度加权平均角β和轴向速度分布均匀度Vau[15]来评价不同方案各进水池进口断面上的流速分布特性。

3.2 前池流态特性

图9～图11为不同方案各工况下的前池面层、底层的流线分布以及速度云图。从图9可以发现工况一下老站单独运行，原方案前池内左侧出现大尺度的回流区，这将造成左侧机组的进水条件恶化，发生偏流。设置方案1后老站流态明显改善，新站前池流态紊乱；方案2下老站前池流态分布较为均匀，新站引渠仍存在大尺度回流；设置方案3后老站流态较方案1、2无明显区别，但新站前池回流区消失，流态有所改善。

由图10中可以看出在工况二下，新站单独运行，此时通过设置3种不同的导控措施，老站流态紊乱，新站前池与引渠交界处流速较大，达到的整流效果基本一致。

图9 工况一下各方案面层、底层流线分布Fig.9 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 1

图11为工况三下的流态分布，从图11中可以看出，方案1通过设置立柱老站前池水流流态平稳，新站引渠回流区消失，水流通过立柱后流速有所较低；方案2通过设置底坎，新站引渠侧壁仍存在较小的回流区，但是坎后水流的流速分布较好，从引渠进入前池的水流分布较为均匀，但是当水流越过底坎后，由于坎后旋滚作用，坎后水流还未得到充分发展，亦会对进水池的进水流态产生不良影响。方案3在方案1的基础上加设底坎后流线分布比较均匀，新站引渠侧壁的回流区基本消去，总体水流流态比较平稳，但在前池入口的左右两侧流速较大。

图10 工况二下各方案面层、底层流线分布Fig.10 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 2

图11 工况三下各方案面层、底层流线分布Fig.11 Distribution of surface layer and bottom streamline of each scheme under working condition 3

3.3 速度加权平均角和轴向速度分布均匀度

为了进一步定量分析前池水流对进水池进口断面上的流速影响，计算出进水池各进口断面上的轴向流速分布均匀度以及速度加权平均角，计算结果列于表2和表3。图12～图14给出了各工况下各方案进口断面轴向速度云图，对比各工况原方案和3种方案的速度云图，并结合表3数据结果可以发现：工况一和工况二下原方案进水池各进口断面上的轴向流速分布均匀度都不高，最差的为工况一下的1号进水池仅有60.51%，工况三下的原方案轴向速度分布均匀度较前两种工况都有所提高，最高的为新站的3号进水池为84.25%；3种导控措施都可以显著提高各进水池进口断面的轴向速度分布均匀度，其中工况三下新站3号、4号进水池进口断面的轴向速度分布均匀度经导控措施后略有降低，但是整体断面轴向速度分布均匀度都有所提高。设置导控方案1和导控方案2后1号进水池进口断面轴向速度分布均匀度变化最为明显，最高提高了6.39%。设置方案3后，除了工况三3号进水池进口断面轴向速度分布均匀度有明显提高，两侧的进水池进口断面轴向速度分布均匀度相对于前两种导控方案有明显降低，其他两种工况下，各进水池进口断面轴向速度分布均匀度均较原方案有所提高。通过不同工况下各进水池进口断面轴向速度分布均匀度对比发现，对于各导控方案，导控方案2进水池进口断面轴向速度分布均匀度整体大于导控方案1、3。通过表4可以发现，各断面的速度加权平均角整体变化趋势与轴向速度分布均匀度基本一致，设置导控措施后，各断面速度加权平均角都有所提升。整体来讲，导控方案2的导控效果优于导控方案1和导控方案3。

4 结 论

本文针对侧向进水泵站前池、进水池容易出现大尺度回流不良流态的问题，提出了在前池内加设底坎、立柱以及底坎+立柱的导控措施，分析了3种不同的导控措施对不同前池流态的改善作用，得到了如下结论。

表2 各方案进水池进口断面上的轴向速度分布均匀度Vau %

表3 各方案速度加权平均角β (°)

图12 工况一下各方案进水池进口断面轴向速度云图Fig.12 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 1

图13 工况二各方案进水池进口断面轴向速度云图Fig.13 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 2

图14 工况三各方案进水池进口断面轴向速度云图Fig.14 Axial velocity map of the inlet section of each plan inlet pool under working condition 3

(1)在老站单独运行、新站单独运行和“新站+老站”同时运行3种工况下前池流态都不均匀，工况一下，老站单独运行，老站前池内水流流态平稳，新站引渠内出现大尺度的回流区；工况二下，新站单独运行，老站水流紊乱，新站引渠内同样存在回流区且引渠和前池连接处流速偏大；工况三下，新站和老站同时运行，新站引渠右侧存在回流区，同时对比试验测试结果和数值模拟结果发现二者吻合性好，说明数值模拟结果是可信的。

(2)通过设置3种不同的导控措施均可以有效改善前池流态，新站前池内的大尺度回流基本消失，对比3种导控措施，导控方案2进水池进口断面轴向速度分布均匀度整体大于导控方案1、3。整体来讲，导控方案2的导控效果优于导控方案1和导控方案3。