基于FLUENT计算下苏北抽水泵站蓄水池多相场渗流特征分析研究

华 中 陈 晶 王 鹏

(淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏 涟水 223400)

1 概 述

在水资源分布不均地区，常依赖引水工程、抽水工程等水利设施提高水资源利用效率，而这类提水工程常常面临泥沙淤积、渗流活跃性影响，对水资源输送产生负面影响，因而开展水工建筑多相场渗流特征分析很有必要[1-3]。根据物理模型试验理论，吉红香等[4]、孙益松等[5]、贾红娟[6]认为可在实验室完成水工建筑模型试验，研究水利模型在室内运营状态下渗流及静、动力学特征，为完善水利设计提供重要指导。由于水工模型试验进展较慢，效率较低，对相关水工建筑采用相似性或对比性设计具有较好的参考价值，通过监测已有工程或论证已有工程的安全设计，为拟建工程安全设计与运营提供借鉴[7-9]。数值仿真计算作为一种高效率研究手段，可根据实际工况，引入理论模型设计水利工程的运营过程，进而获得水工仿真模型的渗流、应力与变形等特征，可作为拟建工程安全运营评价的重要计算参考[10-12]。本文根据苏北地区拟建抽水泵站蓄水池与下游输水灌渠运营关系，进行多相场渗流特征计算分析，为实际水利设计提供相关参数。

2 工程分析

2.1 工程概况

针对苏北地区水资源时空不均现状，为提升地区水资源输送效率，考虑建设一抽水泵站水资源中转枢纽工程，该工程目前设计有蓄水工程与灌溉设施两部分，其中蓄水工程包括有泵站引水工程与蓄水池。该泵站设计年取水量为300万m3，设计最大取水流量为0.6m3/s，设置有蓄水池及阶梯式引水设施，设计引水位为35.2m，可完成最高水位44.5m的引水调度。该抽水泵站枢纽工程承重结构为6根闸墩，每根闸墩直径为1.2m，间距为80cm，采用横、纵连系梁作为支撑加固措施，横梁截面尺寸为1.2m×1.6m，结构静力计算最大拉应力为1.2MPa，纵梁设计有锚固结构，预应力张拉锚索对纵梁进行二次加固，确保连系梁结构体系应力安全稳定。蓄水池入水口处设置有拦污栅，降低泥沙淤积对蓄水池水位安全性的影响，拦污栅采用多孔式弧门设计，单孔尺寸为0.6m×0.8m，蓄水池最大蓄水容量为50万m3，设计下游灌渠输水流量标准值为0.55m3/s。蓄水池平面顺水流方向长度为25.5m，宽度为4.5m，池内设计有多个消能坎，降低水力冲蚀效应，消能坎坡度为1/15～1/20，出口处设计有弧形钢闸门，半径为1.5m，弧门最大开度为0.85，确保出水流量控制在蓄水池流场可承受范围，为后续模拟计算方便，将蓄水池分为A、B、C三区域，见图1。灌溉设施包括输水管道、输水灌渠、加压泵站以及相关流量控制水工设施，按照下游灌渠分布阶梯式输送水资源，并为了减少水资源输送消耗，设置有3座出水池。输水灌渠采用防渗性混凝土作为衬砌结构，渠道中最大渗透坡降不超过0.2，输水管道与灌渠相互配合，二级管道搭配相应的流量控制管道，进而与灌渠相通。目前，考虑下游输水设施与蓄水池间输水配合性，考虑对蓄水池渗流场开展计算分析，探讨蓄水池在二、三相下的渗流变化。

图1 蓄水池示意图

2.2 建模分析

根据引水工程上游来水资源分析，蓄水池来水含沙量约为15kg/m3，分析粒径分布区间可知，最大粒径不超过0.5mm，最小粒径为0.01mm，粒径以0.03～0.06mm为主，为了确保流量安全性，取最大流量的90%作为设计工况，即设计工况流量为0.54m3/s。利用UG几何构图软件建立蓄水池三维图，见图2，图中所示几何模型已简化成进水段、平水段以及出水段区域，分别对应前述A、B、C三部分，研究模型长度为12m，宽度为2.5m，深度为3.5m。采用ANSYS有限元平台对计算模型进行网格划分，其中进水、出水段单元网格分布较密，共获得单元网格563526个，节点数468528个，划分后的计算模型见图3。

图2 蓄水池三维图

图3 数值计算模型

为确保渗流模拟计算结果可靠性，笔者引入RNG渗流参数紊流模型，渗流参数按照式(1)、式(2)计算获得，计算模型顶部边界设置为标准大气压边界，出口段为自由边界条件，池壁内所有固体结构均设定为相对无滑移状态。在上述工程资料与模型工况导入下，以FLUENT计算平台对水池渗流场特征开展对比分析[13-14]。

(1)

(2)

式中C1ε，C2ε——渗流常数；

σk,σε——渗流参数相应的普朗特数；

Sk,Sε——两个渗流参数对应的常量；

ρ——液体密度；

k,ε——耗散能与紊动能；

u——流速；

μt——黏度系数；

μ——流体运动系数；

t——渗流时间；

Gk，G3ε，Gb——指经验系数；

x——渗流方向；

YM,Sk——修正系数。

3 蓄水池二相渗流场特征

3.1 池内水面线特征

经模拟计算获得蓄水池内各断面水面线相对高程变化特征，见图4。从图中可看出，A、B、C三部分内相对水面线在各区域断面5m内均保持不变，其中A区域内相对水面线稳定在0.177m，是三部分内相对水面线最高者，而B、C区域相对水面线相比A断面降低了29.4%、62.1%，即相对水面线在三个区域内幅度差异均较小。此外，三部分相对水面线在各自区域内均保持稳定状态，最大波动幅度不超过1%(C区域)，总体上而言池内各断面相对水位均较稳定，幅度差异均较小，故而池内二相场下的流态稳定，水力性能平缓。

图4 各断面上水面线相对高程变化特征

3.2 流速特征

图5为研究工况下池内断面流速分布特征。从图中可知，池内总体流速较小，最大流速仅为1m/s，位于出水口附近，各断面总体流速分布均较稳定，无显著紊流特征，表明池内二相场水力动能变化较小，对水利设施冲蚀影响较弱。

图5 池内断面上流速分布特征

为方便分析池内流速特征，选取池内典型断面水深方向流速变化特征进行分析，1～3号三个断面分别为池内A与B区域交界处、B与C区域交界处、C区域出水口，见图6。从图中可看出，三个典型断面上流速变化呈五个阶段特征：

图6 典型断面上流速变化特征

a.从水面至水深0.7～1m左右：此阶段流速呈降低态势，其中降低幅度最大的为3号段，平均每米水深降低流速0.602m/s，幅度最小的为1号断面，平均每米水深消耗流速0.027m/s；其中三个断面中只有3号断面流速降低至最低值时，流速接近于0，而1号、2号断面在该阶段中流速的降低最小值分别为0.05m/s、0.017m/s；在该阶段中，1号、2号、3号断面中最低流速分别位于水深1m、0.8m、0.7m处，其中1号断面影响水深范围更大。

b.从水深0.8m至1.8m左右：该阶段流速为上升态势，以3号断面上升态势阶段持续水深最大，直至水深1.8m处才结束，而1号断面仅持续了0.6m，但3号断面流速上升幅度较小，仅有0.03m/s增长，而1号断面流速增大幅度有0.07m/s，笔者认为该阶段内3号断面受出水口水流影响，对水面以下流速影响范围更广，因而流速增长阶段水深较大，但限于出水口水动力较小，因而流速涨幅不及池内中部断面。

c.从水深1.8m至2.5m或2m左右：该阶段流速二次下降，1号、3号断面该阶段内流速下降幅度较小，分别仅为0.035m/s、0.034m/s，2号断面流速直接降低至该断面上水流速最小值，为0.0072m/s；分析认为水流二次下降与水深处于中部有关，水面上水动能传递至水面以下，受流体冲击耗损影响，在中部出现流速二次下降的特征。

d.从水深2m至3m左右：流速二次上升，该阶段中1号、2号断面均达到各断面中流速最大值，分别为0.37m/s、0.15m/s，分别位于水深2.8m、2.91m处，而3号断面中该阶段流速并未达到全断面中最大值，为0.09m/s，其流速最大值出现在水面处，为0.38m/s；该阶段中流速涨幅最大的为1号断面，其比上一阶段流速值增长了0.305m/s，表面池内中部断面水流在接近池底区域处具有较大流速。

e.从水深3m至池底：该阶段内各断面流速均降低至最小值，均为0，此过程为水流触底的过程，该阶段中3个典型断面的流速均有陡降，表明水流触底后，流速迅速降低为0。

综上分析可知，整体上流速分布均处于较小区间，3个典型断面中最大流速不超过0.4m/s，流速稳定性较佳，池内二相场渗流比较平稳。

4 蓄水池三相渗流场特征

4.1 泥沙分布特征

根据三相场池内渗流场计算，获得池内泥沙分布特征，见图7。从图中可知，进水口A区域内泥沙含量较大，最大含沙量可达14kg/m3，出水口泥沙含量相比进水口有所降低，最大含沙量为13.3kg/m3。从泥沙分布浓度的水深位置关系可知，水面表层以下泥沙含量较小，而在水深中部区域泥沙含量较大，分布在11.9～14kg/m3，但中部水深以含沙量13.5kg/m3分布区域最多。从出水口至进水口，泥沙含量呈线性逐步降低，泥沙分布区域具有较强的层次性[15-16]。

图7 池内泥沙分布特征

4.2 断面含沙量特征

基于1～3号断面含沙量计算，获得三个断面水深高程上含沙量变化特征，见图8。从图中可看出，三个断面上含沙量随水深逐渐递增至平稳状态，1号断面在水面处含沙量为8.3kg/m3，而池底处含沙量相比前者增长了53.4%，同样在2号、3号断面上，含沙量均依次增长了19.3%、25.4%，表明泥沙、浮沙从水面逐渐沉降至池底。分析断面上泥沙含量变化可知，1号断面上水面至水深2.05m处，即已达到最大含沙量，在往后水深含沙量持续处于平稳状态；2号、3号断面最大含沙量均同样出现在水深2m处；分析认为泥沙在水深中部即处于较平稳淤积状态，且各水深位置处的含沙量具有分层效应。对比不同位置断面处含沙量可知，在水深1.2m时1号断面的含沙量为12.46kg/m3，而相同位置处2号、3号断面含沙量相比前者分别降低了23.4%、30.2%，表明随远离进水口，断面上含沙量呈递减分布。

图8 断面上水深高程上含沙量变化特征

4.3 出水口含沙量特征

出水口是下游灌渠控制流量的重要关联断面，因而有必要进行出水口含沙量特征分析，图9为运营过程中出水口含沙量变化关系。从图中可知，出水口处含沙量在运营初期较快上升，在运营第3h时达到稳定状态，该阶段内含沙量增长了28.3倍；从运营第3.1h后出水口含沙量持续处于较稳定状态，含沙量分布在9kg/m3左右，并未超过灌渠设计要求的10kg/m3。

图9 运营过程中出水口含沙量变化特征

综合分析表明，该蓄水池在运营过程中二相场渗流稳定，三相场中出水口泥沙含量满足设计要求，符合灌渠安全运营要求。

5 结 论

本文主要获得以下几点结论：

a.二相场中相对水面线在池内不同区域处差异幅度较小，整体流态稳定；总体流速分布均较稳定，池内水深流速变化具有二次下降与二次上升的五阶段特征，断面中最大流速不超过0.4m/s，流速稳定性较好。

b.三相场中断面含沙量随水深先递增后平稳，1号、2号、3号断面平稳状态下含沙量相比水面处含沙量分别增长了53.4%、19.3%、25.4%，三个断面含沙量平稳状态出现在水深2～2.05m处；远离进水口，断面上含沙量呈递减分布，水深1.2m处2号、3号断面含沙量比1号断面分别降低了23.4%、30.2%。

c.三相场中进水口泥沙含量较大，达14kg/m3，出水、进水口泥沙含量差距5%，池内水位中部区域泥沙含量分布范围最广，为11.9～14kg/m3，泥沙分布具有分层效应；出水口处含沙量运营初期增长较快，后期处于稳定状态，运营全过程含沙量分布在9kg/m3左右，满足灌渠安全输水要求。