北方平原地区排水泵站前池流态数值模拟分析

侯玉山

(沈阳利鑫土木工程有限责任公司，辽宁 沈阳 110179)

排水泵站设计主要是对其引水前池的水力特性进行设计，而引水前池水力消能设计的关键在于导流墩的布置形式。当前，许多学者展开对导流墩布置形式的研究[1- 7]，但这些研究对象大都为大型闸坝，对排水泵站的研究还较少。近些年来，有学者结合水力学模型对排水泵站导流墩布置形式进行相关研究[8- 9]，但对于北方平原地区排水泵站的研究还不多见，为此本文引入数值模型，以北方排水泵站为工程实例，对该排水泵站导流墩的最优布置形式进行模拟研究。

1 研究方法

采用VOF多项水力学模型进行水力学数值模拟，模拟方程为:

(1)

式中，f—水体单元体积，m3；x、y—两项流体力学的变化。

假定水体不可压缩性，其质点运动是可连续的，偏导微分方程为：

(2)

对f进行偏导微分求解，求解方程为：

(3)

式中，t—计算时间，h；μ、ν—湍流系数；i、j—两项计算步长；Δs—湍流值。

其整体单元的网格水体体积的计算方程为：

(4)

在进行水力学数值模拟的同时，展开水工试验对其模拟结果进行验证，一般实物与水工外体的几何特征存在一定相似力学，相似方程为：

(5)

式中，X—水工模型试验的特征值；P、m—水工模型和原型；r—模型的比例尺。

采用弗劳德模型来进行水工试验，试验方程为：

(6)

式中，g—重力学加速度，m2/s；其他变量同上述方程。

2 实例研究

2.1 试验概况

本次模型试验共设置4种导流墩的布置形式，分别为长方形、开槽形、三角形以及圆弧形，其中三角形和圆弧形为曲线导流墩的布置形式、而长方形、开槽形则为直线型的导流墩布置形式。设置不同来水条件下的排水泵站前池流态的模拟，水工模型试验现场图如图1所示。

图1 水工模型试验现场

2.2 模型验证结果

结合水工模型试验对不同导流墩布置形式下的泵站前池水力学模拟结果进行验证，验证结果见表1—3。

表1 无导流墩布置下的水工模型试验结果

表2 曲线型导流墩布置下的水工模型试验结果

表3 直线型导流墩布置下的水工模型试验结果

从各形式导流墩布置形式下的水工模型试验验证结果可看出，水力学模型的试验流速值和计算值吻合度较好，两者的误差均小于20%，可以用该水力学模型来进行不同导流墩布置形式下的泵站前池水力学模拟，满足流速模拟的误差要求。

2.3 不同来水条件下各导水墩布置形态下的水流模拟

结合不同来水条件对三种导流墩布置形式下的流速和流向进行沿程的数值模拟，流态模拟结果如图2—3所示。

图2 不同导流墩布置形式下的排水泵站前池流态分布

图3 不同导流墩布置形式下的排水泵站前池流向分布

从图2中可看出，直线型导流墩布置形式下的流速分布十分不均匀，且从图3中可看出，直线行导流墩布置形式下的流向出现急转的突变，而在曲线型导流墩布置形式下的流速分布较为均匀，且流向分布未出现较为明显的突变急转。此外，从图2—3还可看出，直线型导流墩布置形式下的低流速分布区逐步往后迁移，对水流的阻碍作用逐步增强，而曲线型的导流墩的边外侧流速有所增强，使得河道内外流速差值逐步减小，有利于泵站向河道抽排水。且无导流墩布置形式下流速分布较有导流墩布置形式下都有所减弱，且流向分布存在较大的回水影响。

2.4 不同来水条件下各导水墩布置形态下的前池消能模拟分布

结合不同来水条件对各导水墩布置形态下的泵站消能进行数值模拟，模拟结果如图4所示。

图4 不同不同导流墩布置形式下的排水泵站前池消能模拟分布结果

梯形和开槽型属于直线型，而三角形和圆弧形属于曲线型，从各布置形式下的前池水力消能模拟结果可看出，曲线型的水力消能能力明显好于直线型，曲线型导流墩前池水力消能分布较为均匀，而直线型导流墩前池消能集中在局部，对前池局部影响较大，不利于泵站前池的水力消能。

2.5 不同导水墩布置参数下的排水泵站前池流态分析

为满足不同导水墩布置形式的结构优化，对导水墩布置形式下的参数进行了优化组合分析，分析结果如图5—6所示。

图5 不同长度比例组合参数下的泵站流态分析

图6 不同深度比例组合参数下的泵站流态分析

从图5中可看出，不同组合参数下的泵站流态效率值不同，长度比例组合参数6下的泵站效率值达到最佳，而长度比例组合参数1下的泵站效率值较低，因此对于北方平原区的泵站而言，泵站导流墩布置形式长度比例尺在0.5左右，泵站效率值最优。从图6中可看出，深度比例组合参数3下泵站的效率值达到最优，而深度比例组合参数2下的泵站效率值效果较差，因此对于北方平原区的泵站而言，泵站导流墩深度比例尺在0.4左右，其泵站效率最优。

3 结论

经过水工模拟试验，对于北方平原区导水墩布置形式分析可以得出以下试验结论：

(1)布置曲线型导流墩对北方平原区泵站最为适宜，利于泵站向河道内外进行抽水和排水，其中圆弧曲线型布置形式最佳；

(2)在进行曲线型导流墩布置时，长度比例尺为0.5左右，深度比例尺在0.4左右下的组合参数，泵站效率值最高，可以在泵站设计时予以考虑。