分叉型侧向进水泵站前池底坎整流机理

陈 伟，成 立，周春峰，李尚红

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.江苏省南京市水务设施管理中心，南京 210000；3.江苏省江都水利工程管理处，江苏 江都 225200)

分叉型侧向进水前池是一种常见的进水前池形式，其往往存在回漩、进水流态等不良现象，使得前池流态紊乱，造成泥沙淤积[1-3]，从而影响泵站的经济运行。迄今为止，有众多学者已对前池流态的改善做了一定的研究，其中主要包括增减前池的长度、前池扩散角的改变、增设底坎[4,5]、立柱[6]、隔墩[7]、导流墩和压水板等[8-11]。冯旭松[12]分析了泵站前池的正向、侧向进水底坎整流以及坎后流动机理；罗灿等[13]对泵站正向进水前池底坎整流进行了数值模拟研究，指出底坎几何参数对前池整流的影响；周正富等[14]在侧向进水泵站流态改善措施中，分析出底坎在该泵站中具有明显的整流效果。但目前对于分叉型侧向进水前池的底坎整流机理研究还是很少的。

本文针对某泵站工程前池流态改善，通过数值模拟，改变底坎位置及不同几何参数，进行计算分析其在分叉型侧向进水前池整流效果，为改善分叉型侧向进水泵站前池流态提供了一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究物理模型

计算模型主要包括引渠、前池、进水池(1号～5号)以及吸水管。将整个水体流动的区域作为计算区域[图1(a)]。共设有9个出水口，其中新站五台机组，老站四台，出水口流量均等，段面1-1位于进水池相对位置0.4D，L为底坎相对进水池相对距离。图1(b)为底坎局部细节示意图。其中H为坎高，X为底坎宽度。

图1 计算区域及局部细节示意图Fig.1 Calculation area and sill local detail diagram

1.2 计算方法及边界条件

由于雷诺数较大，且存在边壁脱流和大尺度回流，故采用k-ε模型。本文分别采用RNGk-ε模型[15]和Realizablek-ε[16]两种模型对无整流措施情况进行数值计算，通过研究发现，RNGk-ε湍流模型收敛性更好，故采用RNGk-ε湍流模型作为数学模型进行计算。

基于不可压缩流体的连续性方程和雷诺时均N-S方程，忽略热交换；取引渠进水断面为进口，设置流量进口，总流量为22.5 m3/s；出口为进水池出水管的出口侧，出口边界条件设置为一个标准大气压；在固体边壁处规定无滑移条件；引渠水面高度为1.5 m，进水池水面高度为3.2 m，步长为500，收敛精度为10-6。

1.3 网格剖分

采用Mesh软件划分网格，将总水力损失作为衡量网格数量对计算结果影响的参考物理量，计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Hf为前池、进水池和吸水管的总水力损失；Pin为进口断面的总进口压强；Pout为新站出口断面的总压强；

通过网格无关性分析，当网格节点数量在2.2×106左右时，水力损失的变化较小，误差仅在±1.5%，计算结果趋于稳定。所以为节省计算资源，网格数量选取在220万左右比较合适。

图2 网格剖分与不同网格数量下的水力损失HfFig.2 Partial grid division and the grid is divided into the flow loss Hf under the different mesh quantity

2 研究方案

重点研究底坎位置、高度及宽度对前池流态改善影响，共7种方案(见表1)，方案1～3研究对底坎位置变化对前池整流效果的影响；方案3～7研究底坎高度和宽度对前池流态的影响。

3 计算结果及分析

3.1 数模与试验结果对比

图3(a)、(b)为无整流措施下整体面层与前池最底层流线图。由图3可知，无整流措施时，引渠末端边坡出现较大回流区，造成主流被压迫，将会发生偏流，出现侧向进水。通过图3(b)可得，前池两侧存在两个较大回流区，两侧回流区压迫主流严重，引起主流向一侧偏斜严重，导致泵站进水条件恶化，甚至发生侧向进水。图3(c)为泵站进水池前断面计算结果和试验结果行近流速分布对比图。研究表明：计算结果和试验结果的行近流速最大值均在5号机组前，1号机组的进水条件较差。数模计算结果与试验报告结果虽有一定差异，但变化趋势基本是一致的。这说明数值模拟计算结果是具有一定可信度的。由于整体面层流线与整流后的面层流线无明显差异，所以本文只对前池整流后底层流态变化进行计算分析。

表1 研究方案Tab.1 Research plane

图3 无整流措施下流线与行近流速图Fig.3 Streamline and near velocity without rectification measures diagrams

3.2 底坎位置对前池流态的影响

取正对流动方向为坎前，反之为坎后。图4(a)～(c)为底坎3种不同位置下的前池底层计算流线图。由图4可见，在方案1情况下，底坎位置距离进水池较远(L=5D)，坎前边侧回流不明显，水流越过底坎前具有较大的能量，水流中的能量未能进行交换，严重影响进水池进水流态；方案2中，坎前边侧存在回旋，水流中的能量经过底坎得到一定的交换，进水流态一般；方案3中，坎前边侧漩涡消失，坎后的水流得到充分发展。比较4个方案在断面1-1处行近流速与流速均匀度[图4(d)、(e)]可得，无整流措施时，行近流速从左往右呈增长趋势，左侧流速偏低，中间流速均匀度较高，右侧流速均匀度偏低；增设底坎后，流速分布得到明显改善，行近流速呈两边高中间低，流速均匀度呈中间高两边低。经比较分析，方案3底坎位置较为合理，行近流速与流速分布均匀度相对较好，因此选取方案3相对较合适。

图4 不同方案流线图与流速比较Fig.4 Comparison of flow chart and velocity of different planes

3.3 底坎高度对前池流态的影响

图5(a)～(c)为底坎位置不变不同高度下的前池底层流线图。由图5可知，当底坎高度增加一倍后，方案4坎前边侧再次出现大尺度回旋；当底坎高度适合时(方案5)，前池边侧回旋基本消失，坎后流动能充分均匀分配，进水流态较好。通过比较图5(d)、图5(e)可知，方案4行近流速与流速均匀度分布较差，方案3、5整体差异不大，其中1号机组行近流速偏低，2号机组前行近流速明显偏高，说明底坎高度对前池流态有着重要的影响。在方案5底坎高度下更合理，断面行近流速与流速均匀度分布较好。

图5 不同方案流线图与流速比较Fig.5 Comparison of flow chart and velocity of different planes

3.4 底坎宽度对前池流态的影响

图6(a)～(c)为底坎不同宽度下的前池底层流线图。由图6可见，在方案5、6情况下底坎宽度对前池流态影响较小。当底坎宽度过长(方案7)，坎前边侧出现大尺度回旋，进水流态恶化。通过比较分析图6(d)、(e)可得，增设底坎并改变底坎宽度后，方案7行近流速与流速均匀度分布较差，说明底坎宽度不宜过长。综合比较，方案5前池流态改善效果明显。

3.5 底坎整流机理分析

图7分别为方案5的前池底层流线图与行近流速变化分布图。由图7可见，坎前的水流流速分布不均匀。在合理的底坎位置及几何参数下，水流过底坎后，水流在纵向和横向产生能量交换，过坎后的流速分布得到明显的改善，这表明底坎在分叉型侧向进水泵站前池整流效果中起到了一定的作用，可使得泵机组进水流态得到改善。

图6 不同方案下流线与流速比较Fig.6 Comparison of flow chart and velocity of different palnes

图7 最优方案前池底层流线与行近流速变化示意图Fig.7 Streamline at the bottom of the forebay in the best plane and the change of velocity diagrams

4 结 语

基于CFX技术，研究了底坎位置、高度以及宽度的变化对泵站前池流态的影响，并与试验结果进行对比分析。

(1)无整流措施时，引渠末端边坡存在大尺度回流，前池边侧出现大尺度回旋区，进水池流速分布不均匀。

(2)合理的底坎位置以及几何参数可有效改善分叉型侧向进水泵站前池内流态，减小回流区范围，有助于泵站高效与经济运行。

(3)经对比分析，方案5的整流效果最佳，前池边侧回流区基本消失，水流中的能量得到很好的交换，前池底层流态得到明显改善，进水流态较好。其主要参数为：距进水池的相对位置为2D，高0.67D，宽为0.44D。

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