基于三维流场模拟的泵站改造对水力特征影响研究

朱 萱，蒋 婉

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223005)

泵站作为水利枢纽工程中重要引水、调水设施[1- 2]，其动力运营可靠性与水利流量、水力参数有关[3- 4]，但也与泵站工程的泥沙淤积、动水冲刷等密切相关[5]。因而，研究泵站设计，需要考虑三维流场，也需考虑其水沙演变特性。陈洋[6]、王铁力等[7]、秦钟建等[8]供、调水模型建设角度考虑，设计开展了泵站室内模型试验，分析了清水、浑水等工况下泵站运行现状，探讨了不同因素对泵站运营效率影响，特别是对泵站进、出水池的泥沙淤积影响。当然，泥沙淤积是威胁泵站运行的较大不稳定因素，苏正洋等[9]、徐存东等[10]针对防泥沙淤积等技术开展了分析，如设计开展了挑流底坎、导流墩、压水板等多种构造措施，为泵站设计、改造及运营提供技术依据。泵站不稳定运营很大程度上与其三维流场影响有关，因而吴阮彬[11]、梁巧茵等[12]、刘菊莲[13]采用MIKE 21、Flow 3D、Fluent等流场计算方法，开展了泵站运行工况下池内流场影响特征分析，研究了泵站内流速分布、矢量特征及泥沙含量等，为工程建设提供了参照。本文为探讨淮沭新河上游二河水库引水泵站的改造升级，采用三维流场计算方法，开展了泵站前池结构设计优化下流场及水沙演变特征分析，为工程改造升级提供依据。

1 工程建模分析

1.1 工程概况

淮沭新河乃是苏北地区重要人工灌溉、供水、防洪排涝的水利通道，其依靠上游洪泽湖二河水库多座梯级水闸调控，确保下游新河输水干渠、引水道等支渠输水安全。二河水库具备防洪、引水、泄流等多方面水利功能，总库容为1800万m3，其与下游淮沭新河各水利设施的布设平面如图1所示。

图1 水库溢洪道平面布置

下游引水泵站为二河水库发挥灌溉水利功能的重要载体，其设计流量为36m3/s，而该设计流量能否达标很大程度上依赖于上游溢洪道的泄流消能，设计扬程为3.02～6.5m，配置6台运营泵机，年输水量超过1000万m3。

通过分析新河上游引水泵站工程水力特性发现，由于上游挟沙水流影响下，泵站出渠段水流仍具备一定紊动能，且由于运营年限及溢洪道控流等因素，导致进水段及前池等区段泥沙淤积严重，监控最大含沙量可达6.5kg/m3，其运营现状如图2所示。

图2 泵站运营现状泥沙淤积严重

为此，管理部门考虑对该泵站枢纽开展维护改造，确保进入下游新河水位满足运营要求。

1.2 建模分析

为改善该泵站泥沙淤积现状，本文以泵站前池为改造设计研究对象。采用UG建模平台建立泵站前池结构几何模型，包括前池、进水池、泵闸及出水通道等模块，全轴长距离为15m，泵站前池现状设计方案如图3所示。

图3 泵站前池现状设计方案

为解决泵站前池泥沙淤积问题，计划在前池进水通道与导流池设置人工分隔，减少泵机受泥沙卷积影响，基于进水通道底面坡度设定的2种分隔墩方案如图4所示。

图4 改造升级后2种前池方案

A、B 2种方案的底面斜坡坡度有所差异，分别为1/5、1/6

根据改造设计方案，采用Fluent三维流场模拟平台对各泵站前池方案进行网格离散化[13]，获得各设计方案的计算模型，如图5所示。

图5 计算模型

基于泵站水头损失平衡性，泵站前池原设计方案共有网格单元362864个，节点数338247个，而前池改进A方案网格单元、节点数分别为428614个、382946个，而B方案有微单元体386795个，节点数364729个。计算模型均采用四面体本构微单元。

模型计算工况设定为上游溢洪道泄流量100m3/s，引水流量设定为300m3/s，将6台泵机中的1台设置为备用机，其余5台泵机按照设计功率运行，单台机组工作流量为60m3/s。模型输入端按照三相场设定，出口考虑液相状态，为流速边界条件；泥沙中值粒径为0.06mm，输入挟沙水流含沙量为5kg/m3。基于上述工况，计算分析各方案泵站前池内三维流场及水沙演变特征，为该泵站设计优化提供参照。

2 流场影响特征分析

2.1 流速特征

改造设计泵站前池结构，模拟计算了前池内三维流场特征，泵站前池3个设计方案的各断面流速变化特征如图6所示。

图6 各方案前池沿程断面流速特征

由图6可知，原方案流速水平最低，泵站前池结构改造升级后流速水平均高于原方案，如在特征断面4m处原方案流速为0.43m/s，而改造升级后的A、B方案同断面流速较前者分别增长了67.6%、91.4%；由前池各断面平均流速也可看出，在原方案中为0.41m/s，而A、B方案平均流速较之分别增长了51.2%、104.9%，而从前池结构整体断面流速对比来看，A、B方案流速较之原方案的增幅分别为28.6%～73.8%、83.7%～129.3%。分析认为，增设前池进水通道斜坡及分隔墩后，可减少泵机间的动水冲击及水力势能的耗散功，因而水流动水势能增大，流速水平提高，利于前池结构排沙、冲沙。另一方面，从流速变化特征来看，原方案峰、谷流速分别位于断面8.5、10m处，而在改造升级后A、B方案的峰值流速所在断面均得到提前，分别位于断面4、7m处，而谷值流速分别位于断面10、13m处；相比原方案，改造升级后方案峰、谷流速所在断面距离加大了，具有较大的缓冲区段，对水流冲沙排淤具有正面作用[14- 15]。同时，原方案流速水平整体较低，因而流速波幅不大，但改造升级后A方案具有显著流速波幅阶段，位于断面4～10m处，最大波幅达16.2%，该区段内易产生涡旋、紊流等，造成前池内水力冲刷过大，影响结构运营寿命，但在斜坡坡度减小后，B方案整体流速波幅接近原方案，且流速水平维持在较高状态，最大波幅不超过8%。综合流速影响分析，前池内流场一方面需考虑流速量值水平，但不可忽视其稳定性，综合分析以B方案运营优势最大。

2.2 压强特征

改造升级前池后池内压强变化特征如图7所示。

图7 各方案前池沿程断面压强特征

分析可知，与流速变化类似，A、B方案压强均高于原方案，且增幅分布分别为35.6%～122.4%、55.9%～101.9%，表明改造升级后前池内压强活动增大，对挟沙水流的控制、降沙更有利。从压强变化特征来看，原方案中压强呈先增后减变化，且第一阶段的增幅相比较缓，位于断面1～8.5m内，各断面间压强平均增幅为7.1%，而在断面8.5m后出现压强降低段，整体降幅约为18.1%，平均降幅为4.8%。相比原方案，改造后的A、B方案压强均为递增变化，全断面上分别具有平均增幅3.3%、7.3%，即以B方案压强变化受前池断面距离影响敏感度更高；同时，2个改造方案间增幅也有差异，A方案全过程增幅具有“快增-缓增”2个阶段，其中第一阶段位于断面1～10m处，平均增幅为5.4%，该阶段内水力活动较活跃，但超过断面10m后，受限于进水通道坡度因素，其压强增幅变缓，甚至在断面11.5m后低于B方案压强值。分析认为，进水通道坡度的限制会对泵机有效提水、增强动水势能产生影响，特别是在接近前池渠尾处；合理的斜坡坡度，可控制静水压强稳定增幅，全断面水力活动稳定，易于泵机长期常态化运营。

3 水沙演变特征分析

泥沙淤积状态乃是泵站前池改造升级效果的体现，本文基于Fluent二相场水沙模拟，获得不同运营期内3个方案前池内含沙量变化特征，如图8所示。

图8 泵站前池内含沙量变化特征

观测含沙量变化可知，运营期与含沙量具有正相关变化特性；在原方案中，运营期100d下断面1.5m处含沙量为1.18kg/m3，而运营期为400d、1000d下该断面含沙量分别增大了58.4%、2倍，整体来看每梯次运营期300d的增幅，可引起该断面含沙量增长44.7%。从整体变幅来看，每梯次300d的运营期下，原方案断面含沙量的平均增幅为43.3%，而改造升级的A、B方案下的平均增幅分别为38.5%、32.5%，由此可知，改造升级后的方案断面含沙量受运营期影响弱于原方案，且以B方案在长久运营期的排沙、降沙效果最显著。从相同运营期的含沙量变化对比来看，B方案中断面含沙量水平最低，在运营期400d时，其含沙量分布为0.7～1.86kg/m3，与A方案、原方案的差幅分布为32%～46%、50%～61%，特别在运营期增大，B方案与其他2个方案含沙量差幅增大，在运营期1000d时差幅分布为37.8%～49.5%、53.6%～78.6%。分析含沙量在断面演变过程可知，原方案中增幅最显著，在100d、700d时各断面间含沙量增幅分别达12.1%、8.6%，而A、B方案在运营期700d增幅分别为5.9%、4.7%。另一方面，原方案含沙量在沿程断面增幅具有2个阶段特征，且该现象随运营期增大更显著，临界断面为7.5m处，在该断面上游区段内，含沙量的增幅相比较缓，但超过该断面后增幅快速增长。从前池结构改造效果来看，A、B方案对含沙量的限制效果较佳，有助于减少前池泥沙淤积及泵站泥沙冲刷损耗[16- 17]。

4 结论

(1)改造升级后前池断面流速均高于原方案，改造后A、B方案平均流速较原方案分别增长了51.2%、104.9%；改造后方案峰、谷流速所在位置间距加大；A方案流速具有波幅段，B方案整体波幅较小，且流速水平整体较高。

(2)改造方案前池压强高于原方案；原方案池内压强在断面8.5m处产生增、减转变，改造方案压强均为递增，但A方案的增幅分为快、慢2个阶段特征，在断面11.5m后压强值甚至低于B方案。

(3)运营期与含沙量具有正相关，每梯次300d的运营期，原方案、A、B方案断面含沙量平均增幅分别为43.3%、38.5%、32.5%；以B方案含沙量为最低。