某泵站导流墩结构数值模拟优化研究

管廷存

(新疆维吾尔自治区水利厅建设管理与质量安全中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程背景

某泵站为灯塔灌区节水改造工程的重要建设项目，主要由引水渠、前池、泵房以及排水闸等水工建筑物构成。泵站采用3台前置竖井式贯流泵，北向南依次编号为1#、2#和3#机组，共涉及六条进水流道，自北向南依次为1#、2#、3#、4#、5#、6#进水流道。泵站采用闸站并列设计方式，其中泵站布置在北侧，排水闸布置在南侧，为单孔净宽6 m的2孔排水闸。在泵站运行时，引水水流通过引水渠进入前池，前池中的水流通过斜坡段进入泵站的进水流道，在上游水位较高时，水流可以在水位差的作用下由前池自排进入排水闸。由于泵站为平面不对称设计，在泵站和排水闸单独运行时，来水水流与泵站或排水闸的中心线之间存在一定的夹角，从而造成水流流态比较复杂[1]。因此，计划在泵站和排水闸之间设计有高3.5 m、厚1.2 m的导流墩，以改善前池流态，保证工程的安全稳定运行。

2 计算模型的构建

2.1 计算区域

研究中利用GAMBIT三维有限元软件进行三维实体造型[2]，结合泵站枢纽的具体设计参数，确定如下计算区域：数值模拟计算区域为泵站的引水渠进口至水泵叶轮室，主要由引水渠、前池、进水流道和排水闸四部分组成，排水闸的计算范围取到工作闸门部位。由于研究对象十分复杂，因此采用分块剖分的方式进行实体模型的网格剖分，以便对关键区域进行加密处理，其中普通区域采用六面体网格剖分，前池部分进行加密并采取适应性更强的网格四面体剖分[3]。最终获得1 805 640个计算网格单元，2 024 560个计算节点。

2.2 边界条件

将模型的计算进口边界设定为引水渠的进口断面，并认为该部位的来流为均匀流，因此采取进口边界条件[4]；由于出口断面的流速方向不定，计算中将进水流道的出口端面进行法向等直径延长，并认为出口部位为可以充分发展的流动，因此设计为自由出流边界[5]；计算模型中四个部位的边墙和底部设定为固壁条件，利用固壁对数函数进行处理[6]；计算模型的上表面为自由水面。

2.3 求解方法

本次研究中采用标准湍流模型进行前池数值模拟计算[7]。为了达到预期精度，计算过程中采用二阶迎风式求解，利用SIMPLEC算法进行模型的压力和速度耦合计算，利用体积有限法实现积分形式方程组到代数方程组的转化。计算中的收敛情况利用残差监视图实现，收敛精度设定为10-7。

3 导流墩体型优化设计

3.1 导流墩长度优化设计

为了获得导流墩的最优长度，研究中拟定方案1-方案4四种不同方案，导流墩长度分别为10 m、15 m、20 m和25 m，各方案下导流墩的高度均为3.5 m，厚度为1.2 m。

利用三维数值计算模型，对上述不同方案条件下的流场进行模拟分析。结果显示，在方案1条件下，泵站前池水流的面层和中间流速较大，底部和两侧流速较小。导流墩的右侧水流形成回旋区，该处水流绕流导流墩后进入前池；导流墩的左侧也发生变形并形成回旋区，由于导流墩的存在导致横向流速分布不均，漩涡综合影响函数值为6.85。在方案2条件下，由于导流墩长度增加至15 m，回旋区的范围变化不大，但是回旋区向6#流道外移动，且漩涡综合影响函数值为6.51，小于方案1。在方案3条件下，导流墩长度为25 m，回旋区的范围进一步向外则移动，但是范围从方案1和方案2的6#流道扩展至4#～5#流道，影响范围明显增大，这不仅造成4#、5#流道水流紊动，漩涡综合影响函数值也增至56.74。在方案4条件下，回旋区范围有进一步增大，但是增加幅度有限，漩涡综合影响函数值也增大至58.97。

为了进一步对前池水流对进水流道流速的影响进行定量分析，研究中对六个进水流道进口断面的轴向速度分布均匀度进行计算，结果如表1所示。由表格中的数据可知，由于回流区外移，方案2相比于方案1，6#流道进口断面流速分布均匀度有所提高。对于方案3和方案4，6#流道进口断面流速分布均匀度虽然仍有所提高，但是4#和5#流道进口断面流速分布均匀度下降明显，与方案2相比流速均匀度表现更差。综合上述分析，在方案2条件下，也就是导流墩的长度为15 m时，前池流态最佳，漩涡综合影响函数值最小，流速分布更均匀。

表1 方案1～方案4进水流道断面轴向速度分布均匀度 %

3.2 导流墩开口参数设计研究

通过上节分析，将导流墩长度设计为15 m可以显著改善前池流态，但是导流墩附近的水流回旋区仍旧存在。因此，本节在设定导流墩长度为15 m的基础上，对导流墩进行开孔设计，并在池前加设短隔墩。通过对水流方向和流量分配的调节，达到改善前池流态的目标。其中，导流墩开孔结构如图1所示。导流墩开孔的主要参数包括宽度B以及孔高H，由于两者之间相互影响不大，因此采取单因素递进分析法进行优选研究。

图1 导流墩开口示意图及几何参数

结合相关研究结论和某泵站的工程实际，确定孔口宽B的不同取值，拟定方案5～方案8四种不同方案，其对应的孔口宽B分别为1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m，孔高H为 3.6 m不变。从水流流态上来看，上述四个方案导流墩开孔部位水流重新分布，回流区明显减小，并且向5#流道前移动，当孔宽达到4.5 m时回流区范围基本保持不变。此外，漩涡综合影响函数值也有所降低，四种方案下的漩涡综合影响函数值分别为5.96、2.19、0.36和0.37，对上述四种方案下的各个流道进口断面的流速均匀度进行计算，获得如表2所示的结果。从表格中的数据可以看出，在孔宽小于3.0 m时，随着孔宽的增加，6#进水流道流速分布均匀度明显提升，其余流道的流速分布均匀度也有所提升，但是变化幅度不大。当孔宽大于3.0 m时，1#和5#流道有所下降，其余流道基本不变。综上，在方案7条件下，也就是孔宽为3.0 m时，对前池流态的改变作用最大。

表2 方案5～方案8进水流道断面轴向速度分布均匀度 %

结合相关研究结论和某泵站的工程实际，在孔口宽B为3.0 m不变的条件下，改变孔高H的值，拟定出方案9～方案13，其对应的孔高H的值分别为0.5 m、0.9 m、1.3 m、1.7 m和2.1 m。从上述五个方案的流态来看，当孔高H小于1.7 m时，导流墩附近的回流区进一步减小，而孔高H大于1.7 m时，回流区范围基本不变。从漩涡综合影响函数值的变化来看，当孔高H小于1.7 m时，漩涡综合影响函数值迅速减小，且在孔高H为1.7 m时达到最小值0.12。当孔高H大于1.7 m时，漩涡综合影响函数值又有所增大。对上述五种方案下的各个流道进口断面的流速均匀度进行计算，获得如表3所示的结果。从表格中的数据可以看出，在孔高小于1.7 m时，随着孔宽的增加，6#进水流道流速分布均匀度明显提升，其余流道的流速分布均匀度也有所提升，但是变化幅度不大。当孔宽大于1.7 m时，该流道流速分布均匀度有所下降，其余流道基本不变。综上，在方案12条件下，也就是孔宽为1.7 m时，对前池流态的改善作用最大。

表3 方案9～方案13进水流道断面轴向速度分布均匀度 %

综上，当导流墩长度为15 m，开孔宽度为3.0 m，开孔高度为1.7 m时，前池流态最好，涡旋综合影响函数值最小，且6#流道流态显著改善，虽然导流墩右侧仍旧存在一定范围的回流区，但是回流区范围大幅减小，强度极弱，不会对工程运行造成不利影响。

4 结 论

本文以某泵站工程为例，利用数值模拟的方法对导流墩体型优化问题展开研究，并获得如下结论：当导流墩长度为15 m，开孔宽度为3.0 m，开孔高度为1.7 m时，前池流态最好，涡旋综合影响函数值最小，且6#流道流态显著改善，虽然导流墩右侧仍旧存在一定范围的回流区，但是回流区范围大幅减小，强度极弱，不会对工程运行造成不利影响。