基于CFD的黄河灌区泵站前池流场特性数值分析

安明明

(河南省济源水文水资源勘测局,河南 济源 459000)

0 引言

泵站前池是泵站的主要组成部分，主要功能是引导水流顺畅进入泵站机组吸水管，前池流场特性的优劣直接关系泵站运行效率和安全。罗灿等N-S方程和RNGk-ε湍流模型模拟分析了双侧向进水泵站前池流场，发现不同运行工况的流态分布都不均匀；营佳玮等采用VOF模型研究了某大型泵站前池流态，发现前池两侧存在回流现象；徐存东等开展了基于CFD的泵站前池水流形态数值模拟，研究表明前池水流在平面和立面的扩散效果均较差，存在严重的主流效应。对于黄河灌区，泵站是灌区建设的基础设施，是灌区水资源输移和配置的心脏，受水源含沙、结构设计不合理等因素的影响，黄河灌区泵站前池更易出现流场结构不良(如偏斜、脱壁、低速回流区等)、泥沙淤积严重等问题，导致泵站机组进水条件差，制约泵站性能正常发挥，同时还会大幅增加泵站运维成本。因此，开展黄河灌区泵站前池流场特性研究具有重要意义。文章选取某黄河灌区泵站前池作为典型研究对象，采用CFD数值模拟方法对该泵站前池流场特性进行求解与分析，同时探索黄河灌区泵站前池不良流场产生原因。

1 数值模型构建

黄河灌区泵站前池水流为不可压缩湍流，固采用Realizablek-ε湍流模型进行描述，而且泵站水源含沙，水流属于水沙两项混合流体，泥沙广泛分布于水体，对水流具有很好的跟随性，因此采用不考虑相间滑移的Mixture模型进行均匀两相流流场辨识模拟。求解过程采用Second Order Upwind和SIMPLEC算法以保证结果精度，计算精度取10-4。

1.1 控制方程

研究中水流为不可压缩流体，不考虑能量交换，则水沙两相流控制方程如下。

①连续性方程：

(1)

②运动方程：

(2)

1.2 几何建模与网格划分

研究选取的典型泵站前池共布置有机组8台，设计流量9.50 m3/s，其中4#机组流量为2.00 m3/s，其于机组流量均为1.50 m3/s，设计工况条件下1#、2#、4#、6#、7#、8#机组运行，3#、5#机组备用。利用ICEM-CFD软件构建典型泵站前池原尺寸三维几何模型，并对其进行非结构化网格划分，网格划分过程中对空间狭小部位进行适当加密，划分网格单元总数约为325万个，划分结果示意图如图1所示。

图1 泵站前池计算域网格划分示意图

1.3 边界条件

①进口边界：泵站前池流场特性数值模拟计算域进口断面已知，并以设计流量运行，可确定计算域进口断面流速，因此进口边界采用Velocity-inlet。②出口边界：计算域出口即泵站机组进口，将出口水流视为完全发展湍流，因此设置出口边界条件为outflow。③水流表面边界：泵站前池水流表面区域受风力等外界环境条件扰动不大，基本可视为平静液面，无明显浮动，固采用刚盖假定进行水体液面描述，设置边界条件为symmetry。④近壁边界：对于湍流，近壁面边界至流动核心区划分为粘性子层、过渡层、湍流核心区域三个区域，k-ε系列模型只适用于充分发展的湍流核心区，对于近壁面区域，采用壁面函数法将粘性子层和过渡层的流动特性与湍流核心区域联系起来，因此近壁边界采用标准避免函数进行处理。

2 数值模拟结果与分析

将ICEM软件划分的典型黄河灌区泵站前池网格文件(.msh文件)导入Fluent软件进行水沙混合流体流场特性模拟，然后对模拟结果提取观测断面流速分布特征图进行流场特性分析。设定沿水流方向为X正方向，X=0为前池入口断面；与X方向垂直方向为Y方向，Y=0为前池中间对称断面，向右岸为正方向；水深方向为Z正方向，Z=0为液面。本研究共设置观测断面9个，详见表1。各断面流速分布矢量图和云图如图2、图3所示。

表1 流速分布特征观测断面表

(a)水平断面Z=0.30 m的流速分布矢量图和云图

(b)水平断面Z=0.90 m的流速分布矢量图和云图

(c)水平断面Z=1.50 m的流速分布矢量图和云图

(d)水平断面Z=2.50 m的流速分布矢量图和云图图2 水平观测断面流速分布矢量图和云图

图3 纵向观测断面流速分布矢量图和云图

由图2分析可知，泵站前池水流在水平方向上主流效应明显，且主流略向左岸偏斜，前池内两侧存在大范围旋涡回流区，回流区自前池入口便开始形成并一直延伸至前池末端，回流区影响范围约占前池容积的1/3，前池两侧均形成有2个旋涡回流中心，中心流速近乎为0，前池两侧及末端的回流区影响范围内水体流速基本在0.15 m/s以下；主流区域流速明显高于两侧回流区水流流速，沿水流行进方向水体流速逐渐衰减，水流行进至前池末端除了部分进入机组吸水管外，主要受后壁的限制而向两侧扩散；沿水深方向旋涡回流区范围呈微弱的减小趋势，主流的平面扩散效果略有提高，主要是受前池后部斜坡段和下部吸水管吸水的影响，下部水体扩散空间增加，受两侧回流区对主流的挤压作用减弱；泵站机组吸水管喇叭口附近(图2-c)，4#喇叭口进水相对顺畅，水流行进方向与其轴线基本平行，而两侧其他吸水管轴线均与水流行进方向呈一定的夹角，进水条件相对较差，不利于泵站机组的高效运行。

由图3分析可知，沿水深方向泵站前池两侧旋涡回流区水体流速无明显梯度变化且均处于较低水平，而主流区域流场分布可以划分为2个阶段，前池水平段水体流速随水深增加而减小，这是水流受前池水平段底部摩擦的影响，水流达到斜坡段之后水体流速沿水深则略有提高，主要是因为前池斜坡段扩散空间增加、水体下沉，在重力和吸水管吸水的作用下水体流速增加；水流达到前池后壁时行进受阻开始沿里面向上翻滚，易造成吸水管吸水方向在立面上与水流行进方向不一致，影响机组运行。

可见，该黄河灌区泵站前池水体水平扩散和里面扩散效果差，主流相应显著，存在大范围旋涡回流区、低流速区以及流速分布不均匀等不良流场，进而导致泵站机组吸水管进水条件差，泵站前池向机组吸水管提供平顺水流的功能并没有得到发挥，同时不良流场的存在会导致黄河灌区泵站前池泥沙淤积，影响泵站的正常运行。分析黄河灌区泵站前池不良流场产生的原因主要有2个方面：①黄河灌区泵站前池扩散角设计不合理，易造成水流进入前池后发生脱壁，进而引起水体主流效应及回流区的产生；②前池斜坡段设置不合理，造成吸水管附近水下容积与机组进水流量不匹配，制约水体行进。然而，对于上述2个原因与黄河灌区泵站前池流场特性之间的定性或定量关系还有待进一步研究。

3 结语

①采用Realizablek-ε湍流模型耦合Mixture模型，忽略水沙两相流的相间滑移，能够实现对黄河灌区泵站前池流场特性的辨识和模拟，为泵站前池流场特性分析提供了可靠手段。②典型黄河灌区泵站前池水流的主流效应显著，两侧非对称旋涡回流区占据前池容积的约1/3，回流区影响范围内水体流速在0.15 m/s以下，沿水深方向水流平面扩散效果有所改善，而在立面上水流在前池末端向上翻滚形成里面旋涡，除4#吸水管进水条件较好外其余机组吸水管进水条件均较差。③黄河灌区泵站前池不良流场严重制约泵站水力性能的发挥，前池扩散角和斜坡段纵坡设置不合理是引起泵站前池不良流场的主要原因，可以通过优化泵站前池结构参数或在前池内增设整流工程措施来改善黄河灌区泵站前池流场特性，提升黄河灌区泵站的运行效率。