复杂工况下泵站进水口水力特性研究

张忠孝

(东港市水利事务服务中心，辽宁 东港 118300)

0 引 言

泵站是水利工程不可或缺的一部分，可以实现农业灌溉水、工业用水、生活用水的长距离运输，保障社会经济的可持续发展[1-6]。但是在泵站运行过程中，进水口附近区域时常会出现漩涡，由于漩涡会产生吸气现象，从而导致空化、机组振动、机组运行效率降低以及卷入漂浮物等问题，对于泵站的长期安全与稳定运行造成负面影响[7-8]。

影响泵站进水口水力特性的因素较多，如进水口方向、角度、进水流量、进水口布置形式、淹没深度等[9-13]。其中，进水口淹没深度是较重要的因素之一，淹没深度会导致泵站存在死水区域，当来水经过死水区域时由于流速分布变得极不均匀，就容易形成漩涡。淹没深度不仅关系着泵站的长期安全运行，而且还与工程成本直接相关，淹没深度过大或者过小均不能达到良好的工程效益。因此，有必要针对复杂工况下的泵站进水口水力特性进行研究。

本文利用数值模拟方式，对0.8、1和1.2 m3/s共3种流量以及-0.1、0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 m共8种淹没深度下的泵站进水口漩涡水力特性进行模拟分析，以期能为泵站设计和运行提供参考。

1 基本理论

在流体力学当中，主要存在连续方程、动量守恒方程以及能量守恒方程等三大控制方程，由于自然界水体属于单向流动，不涉及化学反应，因而本文仅考虑流体的连续性和动量守恒。选定控制方程后，需要进行计算区域的离散化，常用的控制方程离散化方法有有限差分法、有限单元法、有限体积法等，其中有限体积法具有运算速度快的优点，故本文采用有限体积法。前人研究表明，Realizablek-ε模型在进行泵站前池数值模拟时，漩涡范围与实际情况更加符合，因而本文选用Realizablek-ε模型作为数值模拟时的湍流模型[14]。

2 数值模型

2.1 几何模型及边界条件

采用UG10软件构建泵站进水口几何模型。该进水口包括5台泵站机组(流道顶板厚度h1=1.2 m)，将建立好的泵站几何模型导入Fluent数值模拟软件中进行网格划分。在Fluent软件中，泵站出口处设置为自由出流边界条件，泵站进口处选用流量进口，自由表面选用刚盖假定，泵站前池、流道边壁、引渠等结构均采用无滑移的边界条件[15]。

2.2 网格划分

采用Mesh软件对泵站进行网格划分，将泵站划分为四面体网格结构。为了计算精确，在边墩等位置处采取网格加密处理，正常网格的大小尺寸为0.2 m的四面体，加密网格的大小尺寸为0.02 m的四面体，整个模型网格数量达到202×104个，经网格划分后的模型见图1。

图1 泵站进水口数值模型

网格划分太稀会增加模型计算的离散误差，导致仿真计算结果与实际结果相差较大；网格划分太密，会导致模拟计算时间大大延长，影响计算分析效率，因而必须进行网格无关性分析。以前池水力损失作为泵站模型网格划分无关性的特征参数，分别计算得到前池水力损失随网格数量的变化曲线，见图2。从图2中可以看到，随着网格数量的增加，前池水力损失呈先增大后逐渐稳定的变化特征，当网格数量>200×104个时，前池水力损失为0.021 5 m，之后便不再随网格数量的变化而变化。因此，本文划分的网格数量为202×104个具有无关性。

图2 前池水力损失随网格数量变化

2.3 工况设计

为了更全面地了解各种工况下泵站进水口的漩涡特性，设计0.8、1和1.2 m3/s这3种不同流量，每种流量下进水口淹没深度分别为-0.1、0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 m。以1#机组进水口为研究对象，在每种工况下，从上往下选取表面层、进水口顶板、进水口顶板以下0.2 m共3个水平断面进行漩涡分析。

3 结果分析

3.1 涡量值与水位关系

不同工况下涡量随水位的变化关系见图3。

图3 不同工况下涡量随水位变化特征曲线

从图3中可知，当淹没深度为-0.1和0 m时，随着水位的上升，涡量值逐渐增大；当淹没深度≥0.1 m后，随着水位上升，涡量呈先增大后减小的变化特征，最大涡量值出现在水位1.2 m处。这说明在水位较浅的表层区域，涡流强度随着水深增大而逐渐增大，涡流强度在顶板附近达到最大值；此后随着水深增加，涡流强度逐渐减小，这主要是因为当泵站存在淹没深度时，在进水口处就会形成死水区域，当外面流水进入这些死水区域后，会造成这个区域水流流速紊乱，表面层作为水体跟空气的交界面，在交界面处存在明显的剪切作用，并跟随水体深度生不断的能量交换，当来流运动到隔墩附近时就会出现脱流现象，从而导致在交界面出现角动量，为涡流的产生创造了条件；当水位达到一定深度后，此时涡量耗散能量逐渐大于积累的能量，因而涡量值会逐渐减低。

3.2 涡量值与流量关系

不同流量下涡核区域涡量值见表1。从表1中可以看到，当流量一定时，统一淹没深度下，进水口顶板处的涡量值最大，其次为进水口顶板以下0.2 m，最小的为表面层处，这与上文分析结果一致；在同一位置处，随着淹没深度的增加，涡量值呈先增大后减小的变化特征，最大涡量值出现在淹没深度为0.5 m时，这说明在淹没深度为0.5 m时，泵站进水口死水区域更容易形成涡流并有利于涡流的持续发展。对比相同位置和淹没深度下的不同流量的涡量值可以发现，随着流量的增大，涡量最大值逐渐增大，这是因为流量越大，水的流速越大，动能越大，漩涡强度越大，因而涡量值也越大。

表1 不同工况涡量值与流量的关系

3.3 最大涡量值与淹没深度的关系

不同工况下最大涡量值随淹没深度的变化关系见图4。从图4中可以看到，相同流量下，当淹没深度小于0.5 m时，随着淹没深度的增加，泵站进水口处的最大涡量值逐渐增大；当淹没深度大于0.5 m时，最大涡量值随着淹没深度的增加逐渐减小，最大涡量值出现在淹没深度0.5 m处，随着流量的增大，最大涡量值也逐渐增大，当泵站进水口宽高比一定时，存在临界淹没深度，当淹没深度达到这一数值时，进水口将发生较为严重的漩涡现象。

图4 不同工况最大涡量值与淹没深度的关系

3.4 讨 论

通过以上分析可知，泵站进水口漩涡与流量和淹没深度息息相关，特别是淹没深度对涡量值的影响最为明显；在不同的流量下，最大涡量值均出现在流道顶板区域附近，且当淹没深度为0.5 m时，涡量值最大。从理论上讲，为了减小漩涡对泵站进水口水力特性的影响，应将淹没深度设置为小于0.5 m或者大于0.5 m，但是当淹没深度小于0.5 m时，泵站进水口处的流速分布又会变得异常紊乱、极不均匀；当淹没深度为0.9 m左右时，流速分布最为均匀，因此从改善流速分布和减小涡量综合考虑，将淹没深度设置为0.9 m最为合适。

4 结 语

采用数值模拟方式，对不同流量和淹没深度下的泵站进水口漩涡水力特性进行分析，结论如下：

1) 淹没深度一定时，不同流量工况下，最大涡量值均出现在流道顶板附近区域；随着流量的增加，漩涡值逐渐增大。

2) 流量一定时，随着淹没深度的增加，最大涡量值呈先增大后减小的变化特征；当淹没深度为0.5 m时，涡量值最大。

3) 从流速分布均匀性和控制涡量大小综合考虑，认为淹没深度设置为0.9 m时，泵站进水口水力特性最佳。

4) 受限于研究数据和资料的不足，本文仅对流量和淹没深度两个因素进行了模拟分析，关于其他因素的综合影响还需要在今后做进一步研究。