Y形导流墩几何参数对泵站前池整流效果的影响

成 立，祁卫军，罗 灿，商邑楠，袁红彦

(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

前池分为正向进水前池和侧向进水前池两种类型。前池设计不当易导致不良流态产生，而前池内的不良流态将严重影响进水池内的流态，导致水泵能量性能和抗空蚀性能下降，甚至引起水泵的空蚀和振动，同时回流还会引起前池内的局部淤积，而泥沙淤积又会进一步加剧不良流态的发展［1］。国内外学者对泵站前池流态的改善做了较多研究，刘超等［2］针对泵站侧向进水引河段的回流流动，研究了“底坎+Y形导流墩”的组合整流措施后的流动;成立等［3］对泵站前池底坎整流的流动进行了数值模拟，分析了底坎整流机理;周济人等［4］通过王山泵站整体模型试验研究，分析了前池不良流态的成因，研究了加设导流墙等措施的前池整流机理;Gaston等［5］验证了采用CFD分析方式能更好分析复杂流态。目前研究内容主要集中于在前池中放置底坎［6-7］、压水板［8］、八字形隔墩［9-10］和导流板［11］，但对Y形导流墩整流机理的研究不多。本文基于Fluent软件，采用数值模拟的方法模拟Y形导流墩的整流效果，分析研究Y形导流墩在不同设置位置和几何参数下对改善前池流态的影响。

1 前池及Y形导流墩参数

本文研究的泵站进水前池为正向扩散前池，其中研究区域如图1所示，包括涵洞(两孔)、前池、进水池(1～10号)和吸水管。前池相关参数包括前池宽度B、吸水管直径 D0，测速断面1-1距进水池0.438D0。拟研究的Y形导流墩如图2所示，其主要参数包括高度H、长度L、宽度D、角度θ及Y形导流墩至进水池距离X。

2 数值计算

采用Realizable k-ε模型和SIMPLE算法求解流速场分布。由于流动需遵循质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程，故选择雷诺时均N-S方程和连续性方程对整个流动进行描述。连续性方程为

动量方程为

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

进口取在进水涵洞入口，本文研究中给定进水涵洞的流量，进口边界设为质量入口。由于前池内水面波动不大，采用刚盖假定，简化为对称边界条件。由于出口流动已成单向状态，为自由出流，选用outflow出流条件。壁面边界条件采用标准壁面函数。

3 研究方案

为了深入研究Y形导流墩位置及几何参数对前池流态的影响，设计了13个方案，如表1所示。先分析无整流措施的方案1;然后分别分析比较不同的Y形导流墩位置(方案2～4)、高度(方案5～7)、角度(方案8～10)和长度(方案11～13)对前池流态的影响。为了定量分析，选取断面1-1为行近流速测量断面。

表1 不同方案的Y形导流墩几何参数

4 计算结果及分析

4．1 无整流措施的前池流态

无整流措施的前池流线和断面1-1行近流速分别如图3和图4所示，无整流措施的前池流态不良，前池左右两侧出现与前池长度近乎相等的漩涡;由于两侧水流存在大尺度回漩，逼近进水池，断面1-1行近流速分布很不均匀。

由图4可知，数值模拟结果的变化趋势及数值大小与试验结果［2］呈现出一致性，这表明数值模拟方法基本可行。

4．2 Y形导流墩位置对前池流态的影响

从图5～7可知，当Y形导流墩位置过于接近涵洞时(方案2)，其分流效果较为明显，但前池中间的水流出现大尺度的回漩，对进水池流态产生不利影响;当Y形导流墩位置过于接近进水池时(方案4)，Y形导流墩尾部漩涡影响到了进水池。当Y形导流墩位置适中时(方案3)，进水池前侧的流态获得更均匀分布。由图8可知，方案3和方案4中进水池前的行近流速分布较为均匀。从上述3种方案的位置参数看，方案3整流效果较好。

4．3 Y 形导流墩高度对前池流态的影响

4．4 Y形导流墩角度对前池流态的影响

由图13～16及图6可知，当Y形导流墩尾部夹角较小时(方案8和9)，虽然进水池前的行近流速比较均匀，但是前池两侧漩涡更大;当Y形导流墩尾部夹角适中时(方案3，θ=120°)，两侧回流区相对变小，行近流速相对均匀;当Y形导流墩尾部夹角较大时(方案10)，两侧回流区明显变小，但是Y形导流墩尾后漩涡较大，行近流速分布变得不均匀。从角度参数看，方案3整流效果较好。

4．5 Y形导流墩长度对前池流态的影响

由图17～20及图6看出，当Y形导流墩长度较小时(方案3和11)，两侧回流区相对较大;Y形导流墩尺寸适中时(方案12)，前池两侧回流区减小，Y形导流墩尾后的漩涡对进水池影响不大;当Y形导流墩长度增大时(方案13)，对比流线图可以看出，Y形导流墩尾后漩涡较大，影响进水池进水，整流效果不明显。从长度参数来看，方案12优于其他方案。

由于方案3和方案12只有长度参数不一样，所以在单个Y形导流墩整流的案例中，方案12为最优方案。

5 Y形导流墩整流机理

根据对上述各研究方案的综合分析可知，当水流流经Y形导流墩时，由于Y形导流墩两翼的作用，水流会分开，沿Y形导流墩张角方向扩散，漩涡的位置会前移(图21);与此同时，Y形导流墩尾后的水流会产生回漩，范围受Y形导流墩的大小、角度和高度影响。Y形导流墩表面以上的水流也会产生轻微的分流现象，行近流速会由不均匀分布向均匀分布过渡(图22)。

6 结论

a．无整流措施时，前池两侧水流存在大尺度回漩，泵站进水池前行近流速分布不均匀。

b．无整流措施泵站前池计算值和试验值比较表明，数值模拟方法可行，数值模拟结果可信，可以采用CFD模拟计算的研究方法来研究泵站前池复杂流态问题。

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