基于SST k-ω湍流模型的泵站侧向进水流态改善研究

杨小帆 于永海 刘 东 朱晓明

(河海大学 水利水电学院， 南京 210098)

前池是连接引渠和进水池的建筑物，根据水流方向，前池分为正向进水前池和侧向进水前池[1]．由于地形以及工程占地的限制，有些泵站会采用侧向进水前池，侧向进水前池较正向进水前池容易出现不良流态．泵站前池采用侧向布置，前池内易存在大尺度回流现象、流态紊乱，使得各水泵机组来流条件差异显著，易引起机组振动、汽蚀甚至被迫停机，不能保证其安全可靠运行．

泵站前池流态及水力特性方面的研究成果比较丰富，结合不同的泵站工程已提出了底坎、立柱、导流墩、压水板等流态改善措施[2]，早期主要通过泵站水工模型试验进行研究，近年来多采用计算流体动力学(CFD)结合泵站水工模型试验进行研究[3-6]．刘超等[7]提出对于泵站水工水力学问题可以仅仅采用CFD数值模拟方法进行数值试验，一般可以不再进行泵站水工模型试验研究．目前泵站流态及水力特性CFD研究方面，基本上都采用k-ε湍流模型包括标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型，用壁面函数对近壁区进行模拟，采用对近壁区精细模拟的SSTk-ω湍流模型的尚少．SSTk-ω湍流模型通过取值为1或0的分段函数将标准k-ω与标准k-ε模型结合到了一起，近壁面利用k-ω模型的鲁棒性，以捕捉到粘性底层的流动，在主流区域利用k-ε模型又可以避免k-ω模型对入口湍动参数过于敏感的劣势[8-9]．本文结合某侧向进水排涝泵站，用SSTk-ω湍流模型对其进水流态进行数值模拟，并在数值试验基础上提出合适的流态改善措施．

1 计算模型构建

某排涝泵站侧向进水，安装6台水泵机组，两台边机组1号与6号水泵设计流量为2.8 m3/s，流道进口宽高尺寸为1.65 m×1.62 m，中间四台机组2号至5号水泵设计流量为8.69 m3/s，流道进口宽高尺寸为3.77 m×2.975 m．进水池最低运行水位为1.9 m，设计水位为2.68 m，最高运行水位为3.3 m．泵站左侧为自排涵，泵站运行时，自排涵节制闸关闭．泵站进水建筑物平面布置图如图1所示．

图1 泵站进水建筑物平面布置图

为使流速分布符合实际，进口向外延伸11 m，出口向外延伸9 m．选用SSTk-ω湍流模型，采用刚盖假定，水面设置为对称边界条件，壁面设置为静止壁面，入口设置为压力入口，出口按各机组流量分别设置速度出口．采用QUICK格式，隐式求解，速度和压力方程用SIMPLEC算法耦合．选定y+值为1，初步计算边界层第一层网格高度为0.05 mm，高度比为1.2，边界层网格层数为10层．通过网格无关性分析，确定网格数为1 324 393个．网格划分如图2所示．

图2 实体网格划分图

2 目标函数

记流道入口横断面为1-1，以1-1断面当量流向偏离角[10]作为目标函数判断泵站进水流态及整流效果．当量流向偏离角按下式计算：

(1)

式中，uix为第i个单元沿流道纵向的流速(m/s)；ui为第i个单元的流速(m/s)．

3 计算结果与分析

3.1 未整流条件下的进水流态

未设置任何整流措施时，最低运行水位工况下，泵站进水流态如图3所示．从图中可知，右侧拦污栅隔墩没能使水流完全调整好流向，水流与拦污栅隔墩间夹角约15°，导致右侧水流脱壁，形成死水区，但离机组进水口较远，未对流道进口流态造成严重影响；左侧水流通过拦污栅后，在惯性作用下继续向前运动，未能沿池壁扩散，在1号机组的作用下，水流才向左流动，导致进水池左侧形成长约10 m宽约5 m的漩涡，水流侧向流入1号机组，入口断面最大流速1.41 m/s，流道入口速度分布极度不均，必须采取整流措施．本文选用导流墩进行整流．

图3 未整流泵站进水流态图

3.2 导流墩位置方案比较

拟定两种导流墩位置方案，在进水流态比较基础上选择出导流墩合适的位置．

3.2.1 方案1

如图4所示，在进水池中部设置导流墩．中部导流墩由圆弧段与直线段组成，直线段位于泵房中轴线位置，圆弧段同时与拦污栅中轴线和直线段相切，圆弧段离拦污栅隔墩4.3 m，圆弧段长4.61 m，直线段长3.39 m，共8 m，导流墩厚0.9 m．

图4 方案1导流墩布置图

经CFD计算，设置了中部导流墩之后，进水流态如图5所示．由图5可知，中部导流墩的设置没能改善1号机组进水流道的进口流态，流速最高处为1.38 m/s，进水池左侧大尺度漩涡依旧存在．由于拦污栅隔墩未能完全改变图5中红圈部分水流的流向，在惯性作用下，此部分水流流至导流墩左侧，在流过导流墩之后，又在右侧3台机组的作用下流向右侧，使得前池流态更加紊乱．

图5 方案1泵站进水流态图

3.2.2 方案2

考虑到1-1断面中主要是1号机组流道进口断面流速分布不均，大尺度漩涡也是出现在1号机组前，故在此位置处设置导流墩以约束水流运动．如图6所示．

图6 方案2导流墩布置图

导流墩为圆弧型，将右侧圆弧形导流墩边线对应的圆心角记为α，由于漩涡长度约8 m，故右侧导流墩长度定为8 m，厚度0.9 m，一端垂直于1-1断面，α初步选定为20°，为使1号进水流道进水流态更佳，在原泵站翼墙的基础上再浇筑左侧翼墙，左侧翼墙外边线与右侧导流墩边线为同心圆弧，长度延伸至池壁．按方案2设置导流墩之后，进水流态如图7所示．

图7 方案2泵站进水流态图

由图7可知，左侧大尺度漩涡已消除，1号机组进水流道入口断面流态得到明显改善，最高流速为1.32 m/s，与未整流情况相比有明显下降．且未对2号机组进水流道入口断面产生不良影响．

3.2.3 两种方案比较

方案2中大尺度漩涡已消除，1-1断面流速分布也优于方案1，两种方案相比，方案2整流效果较好，故导流墩位置选择方案2．

3.3 α取值比较

由于水流经过拦污栅隔墩之后斜向进入1号进水流道，α不能过大也不宜过小，初步选定α为10°、15°、20°、25° 共4个方案进行比较．其中20°方案即为3.2.2节中的方案2，其他弧度方案与20°方案布置形式一致，右侧导流墩长度都为8 m，仅对应α分别为10°、15°、25°(圆弧半径不同)．

右侧导流墩与增设的左侧翼墙布置在1号流道入口前，主要为了改善1号流道的水流流态，且未对2号机组进水流道入口断面产生不良影响，故在比较不同导流墩角度的整流效果时，以1号流道入口断面当量流向偏离角为标准，选出最佳方案．各方案计算结果见表1．

表1 方案2不同α取值计算结果比较表

经计算，当α=20°时，当量流向偏离角最小，为24.57°，故α选定为20°．

3.4 选定整流方案

经3.2与3.3节分析，当导流墩设置在1号进水流道入口前，且α=20°时，整流效果最佳．

在选定的整流方案下，对泵站进水池设计水位与最高运行水位工况进行与上述最低运行水位工况同样的CFD计算，发现进水池内无大尺度漩涡，流道断面进口流速分布良好，故最终选定该整流方案．

4 结 论

以Fluent软件为平台，采用SSTk-ω湍流模型，分析比较了导流墩不同位置与角度对侧向进水流态的影响，确定了该泵站最佳导流墩设置方案，有效地改善了进水流态，同时得出以下结论：

1)侧向进水泵站中，由于水流侧向流入，进水前池各纵向断面的流态不是对称分布的，设置导流墩分配水流时，应根据工程实际情况适当调整．

2)侧向进水泵站中，水流在惯性作用下易形成漩涡，针对漩涡产生的位置设置导流墩，能有效消除漩涡，改善进水流态．

参考文献：

[1] 冯卫民，于永海．水泵及水泵站[M]．5版．北京：中国水利水电出版社，2016．

[2] 徐 辉，张 林．侧向进水泵站前池整流技术研究综述[J]．水利水电科技进展，2008，28(6)：84-88．

[3] Kim J J， Baik J J． A Numerical Study of the Effects of Ambient Wind Direction on Flow and Dispersion in Urban Street Canyons Using the RNGk-εTurbulence Model[J]． Atmospheric Environment，2004，38(19)： 3039-3048．

[4] 屈磊飞，王林锁，陈松山，等．闸站合建枢纽泵站三维水流的数值模拟[J]．水利与建筑工程学报，2006，4(1)：15-17．

[5] 于永海，徐 辉．程永光．泵站前池导流板整流措施数值模拟研究[J]．水利水电技术，2006，37(9)：41-43．

[6] 于永海，成 斌．侧向引水及进水泵站进水流态CFD模拟分析与优化[J]．水利水电技术，2012，43(2)：72-75．

[7] 刘 超，韩 旭，周济人，等．泵站侧向进水引河段三维紊流数值模拟[J]．排灌机械工程学报，2009，27(5)：281-286．

[8] Menter F R． Zonal Two Equationk-ωTurbulence Models for Aerodynamic Flows[R]．AIAA-93-2906，1993．

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[10] 张 林，于永海，徐 辉．侧向进水城市排水泵站配水池水力优化设计[J]．中国给水排水，2008，24(8)：37-40．