多机组泵站正向进水阵列式隔板整流模拟及试验验证

张校文，刘超*，荣迎春，冯旭松，傅题善，孙玉民

(1. 扬州大学水利科学与工程学院, 江苏 扬州 225009； 2. 南水北调东线江苏水源有限责任公司, 江苏 南京 210000； 3. 南水北调东线山东干线有限责任公司, 山东 济南 250000； 4. 山东省水利厅, 山东 济南 250000)

泵站前池是泵站进水建筑物的重要组成部分，前池内水流的流态直接影响泵装置的性能[1].前池分为正向进水前池和侧向进水前池，正向进水前池的水流方向与进水池水流的方向一致，通常认为水流在前池内扩散平缓，流态良好，无需额外设置整流措施便可为进水池提供良好的流态，故正向进水前池在泵站工程中运用较为广泛.实际上，大多数正向进水泵站的前池，即使在前池扩散角不大的情况下，也依然存在着回流和旋涡[2]，同时，采用正向进水前池的多为多机组泵站，多机组泵站多配有备用机组，由于备用机组的存在，泵站常常处于机组不对称开启的运行状态，机组的不对称开启进一步恶化了前池内水流的流态，正向进水前池内往往存在严重的旋涡和回流，无法为水泵提供理想的进水条件.因此，需要针对正向进水前池，提出有效的整流措施.

国内外学者针对泵站前池、进水池内部流态的研究，已展开了大量的工作[3-9]，提出了底坎、导流墩、立柱、压水板等不同的整流措施.但在大型多机组正向进水泵站中，流量和空间尺度均较大，目前单一的整流措施整流效果不够理想[10-14].而对于采用新型整流措施的研究仍较少，研究工作多集中于对已有整流措施布置参数的优化，且研究分析的开机工况较为单一.

文中以多机组正向进水泵站为研究对象，采用CFD与模型试验相结合的手段，对多机组正向进水泵站不同开机工况下的前池流场进行研究，提出一种利用阵列式隔板整流的措施，并评判阵列式隔板整流的效果，以期为多机组正向进水泵站的建设运行提供参考.

1 计算模型及边界条件

1.1 计算模型参数

所研究的多机组泵站进水前池为正向扩散前池，包括渠道、前池、进水池和隔墩.渠道长6 m，前池池长5.6 m，前池扩散角为40°，单个进水池宽度为1 m，每个进水池配备1台机组，共布置5台机组，依次将机组编号为1#—5#，其中5#机组为备用机组，前池设计流量为2 m3/s.该多机组正向进水泵站前池三维透视图如图1所示.

图1 多机组正向进水泵站前池三维透视图

1.2 湍流模型及边界条件

由于前池流动为复杂的不可压缩湍流流动, 且泵站尺寸较大，水流在前池、进水池内的流动变化较大，在前池、进水池内常常会发生回流及水流脱壁的现象，选择Realizablek-ε湍流模型模拟该流动与实际更为接近[15]，故文中基于Realizablek-ε湍流模型，采用SIMPLC算法耦合压力和速度，设置二阶求解精度，对前池流态进行数值模拟.取渠道水流进口处为进口边界，边界条件设置为流量进口，流量为2 m3/s，取吸水管出口处为出口边界，边界条件设置为自由出流，壁面均采用无滑移的壁面进行处理，对液面采取刚盖假定, 自由表面设为对称边界条件.

1.3 网格无关性检查

利用ICEM-CFD软件对计算模型进行网格剖分，计算模型的网格剖分如图2所示.以总水力损失作为网格无关性的评判指标，采用式(1)进行计算.对计算模型进行网格无关性检查，当网格数量N大于177万时，再增加网格数对总水力损失的影响微小，最终确定网格数为177万，图3为网格无关性检查.

图2 网格划分图

图3 网格无关性检查

(1)

式中：Δh为水力损失；pout为吸水管出口总压；pin为渠道水流进口总压；ρ为液体密度；g为重力加速度.

2 前池流态分析

选取右侧2台机组(1#，2#机组)开机运行、右侧3台机组(1#，2#，3#)开机运行、右侧4台机组(1#，2#，3#，4#)开机运行作为典型工况，获得上层(Z=0.9H，其中，Z轴为水深方向，H为前池水深)、中层(Z=0.6H)、底层(Z=0.3H)3个典型断面的流线及轴向流速v的分布图如图4所示.

图4 4种开机工况下典型断面的流线及轴向流速分布图

由图4可知，水流在引渠内流线平顺，经渠道流入前池后，水流沿前池向进水池扩散流动，当水流在前池内扩散流动时，因水流惯性的作用，水流在前池的两侧产生了脱壁的现象，出现了大尺度的回流，随着水流的继续扩散流动，前池两侧的流态不断恶化，在前池两侧出现了较大的旋涡区域，回流与旋涡区几乎充满了整个前池，回流与旋涡区域的恶化压迫主流，使水流不能充分扩散，水流以射流的形式经前池流入进水池，严重影响了水流在进水池内的流态.

通过比较上层、中层、底层断面的流线图，可以看出，上层至底层回流区域的范围不断增大，回流区域的中心有向进水池移动的趋势.当机组不对称开启时，前池内未开机侧的回流与旋涡范围大于开机侧，且该现象随着两侧机组开启差异的增大而愈发明显，在右侧2台机组(1#，2#机组)、右侧3台机组(1#，2#，3#机组)开机运行的工况下，前池内开机侧的回流与旋涡范围已明显小于未开机侧，主流受到的压迫也主要来自未开机侧的回流与旋涡区.

选取靠近泵站前池出口断面的流速均匀度来评价水流进水的流态，同时也可定量地评判整流措施的效果，其计算公式如式(2)所示.

(2)

计算流速均匀度所取截面的宽度与前池水深相同，截面长度随开机机组的数量相应调整，右侧4台机组(1#，2#，3#，4#机组)开启时该所取截面如图5所示.

图5 计算流速均匀度所取断面示意图

针对整流前的前池流态，计算其靠近前池出口断面的流速均匀度，如表1所示.研究发现，当机组不对称开启，一侧开机台数逐渐增大时，前池靠近出口断面的流速均匀度逐渐降低，主流受到两侧回流与旋涡区域的压迫越来越严重，水流进入进水池的流态也越来越差.

表1 前池出口断面流速均匀度

3 阵列式隔板整流

文中提出一种利用阵列式隔板整流的措施.2排阵列式隔板布置于前池内，前排阵列式隔板长1.4 m,后排阵列式隔板长1.1 m，阵列式隔板的厚度为0.03 m，高度与前池水深相同，2排阵列式隔板与隔墩一一对应.其中以靠近前池入口的一排隔板为前排隔板，远离前池入口的一排隔板为后排隔板.布置阵列式隔板后的计算模型如图6所示.

图6 整流后计算模型示意图

4 整流后前池流态分析

4.1 右侧2台机组(1#，2#机组)开机运行

当右侧2台机组(1#，2#机组)开机运行时，截取此时前池上层、中层、底层3个典型断面的流线及轴向流速分布图，如图7所示.当1#，2#机组开机运行时，前池内开机侧的回流与旋涡区域已完全消失，布置阵列式隔板后，前池水流扩散角度减小，在前池内扩散平缓，流态良好，主流受到旋涡与回流区域压迫的现象消失，水流沿隔板以正向的形式流入进水池，1#，2#机组进水环境良好，完全未受到回流与旋涡区的影响.从典型断面的轴向流速分布图可以看出，经阵列式隔板整流后，前池开机侧上层和中层小范围的负流速消失，水流轴向流速分布较均匀.

图7 优化后1#，2#机组开机运行时典型断面的流线及轴向流速分布图

针对整流后的前池流态，选取相同的流速均匀度计算截面，计算其断面流速均匀度.当1#，2#机组开机运行时，整流后的前池断面流速均匀度为63.17%，较整流前提高5.78%.

4.2 右侧3台机组(1#，2#，3#机组)开机运行

当右侧3台机组(1#，2#，3#机组)开机运行时，截取此时前池上层、中层、底层3个典型断面的流线及轴向流速分布图，如图8所示.当1#，2#，3#机组开机运行时，水流受到阵列式隔板的作用，在前池内的流动扩散角度减小，入流扩散平缓，1#，2#，3#运行机组对应的前池内水流流线平顺，流态良好，水流以正向的形式进入进水池，前池内开机侧的旋涡与回流区域转移到了未开机一侧，完全未影响到开机运行机组的进水环境.从典型断面的轴向流速分布图可以看出，由于开机侧的回流与旋涡区的转移，前池开机侧较大范围的负流速消失.

图8 优化后1#，2#，3#机组开机运行时典型断面的流线及轴向流速分布图

针对整流后的前池流态，计算该开机工况下的断面流速均匀度.当1#，2#，3#机组开机运行时，整流后的前池断面流速均匀度为61.81%，较整流前提高5.47%.

4.3 右侧4台机组(1#，2#，3#，4#机组)开机运行

当右侧4台机组(1#，2#，3#，4#机组)开机运行时，截取此时前池上层、中层、底层3个典型断面的流线及轴向流速分布图，如图9所示.当1#，2#，3#，4#机组开启运行时，1#，2#，3#运行机组对应的前池内水流流线平顺，流态良好，水流以正向的形式进入进水池.前池两侧大范围的回流及旋涡区域进行了重新分布，原来分布于前池两侧的回流与旋涡区域转移到前池左侧一侧，转移后的左侧回流与旋涡区域较小，且集中在未开机运行的5#备用机组对应的前池区域，基本未影响到左侧开机运行的4#机组的进水环境.

图9 优化后1#,2#,3#,4#机组开机运行时典型断面的流线及轴向流速分布图

选取相同的流速均匀度计算截面，得到该开机工况下的断面流速均匀度.整流后的前池断面流速均匀度为47.23%，较整流前提高8.81%.在该开机工况下，可以观察到前池内右侧底层仍存在较小范围的回流区，但1#，2#机组进水环境受右侧回流与旋涡区的影响较整流前明显减弱.

5 试验验证

5.1 试验装置

为了进一步验证阵列式隔板的整流效果，采用1∶10的比例尺搭建了模型装置试验台.模型装置试验台包括引渠、正向进水前池、进水池、隔墩、虹吸管、辅助泵、管道，采用辅助泵进行试验装置水的循环.试验的流速测量采用的流速仪为LGY-Ⅱ型智能流速仪，流速仪测量精度为±2%.试验中在前池水面撒入示踪粒子，对示踪粒子反映的前池内水流流态进行观测.

图10 模型装置试验台

5.2 试验结果

根据模型试验观测的示踪粒子轨迹绘制前池流线图,如图11所示.图12为各测点轴向速度的数值计算结果和试验测量换算结果，其中，测线Y轴方向的坐标值为图中的横坐标.试验结果表明：多机组正向进水前池流态较差，前池内存在大范围的旋涡和回流，未开机侧旋涡和回流区明显大于开机侧，两侧的旋涡和回流区域严重压迫主流.布置阵列式隔板整流后，前池内旋涡与回流区明显减小，前池内开机侧的旋涡与回流区域转移到了未开机一侧，水泵进水条件得到改善.前池内示踪粒子轨迹反映的前池流态与数值模拟结果基本吻合.

图11 根据模型试验观测绘制的前池流线图

图12 测点数值计算结果与试验测量结果

试验中选取与数值计算模型相同的流速均匀度计算截面，在该截面上取Z=0.9H,Z=0.6H,Z=0.3H布置3条测线line1,line2,line3，每条测线布置15个测点，对45个测点进行流速测量，试验测量的流速按照比例尺进行换算，与数值模拟结果进行对比分析.

由图12可以看出，各测点轴向速度数值计算结果与试验测量换算结果整体趋势基本吻合，具体数值有一定差异；布置阵列式隔板整流后，各测点流速分布较为均匀，隔板处附近对应的个别测点因受阵列式隔板的滞水影响，轴向流速较低；图12b试验中布置阵列式隔板整流后，3条测线上所有测点均为正值，表明布置阵列式隔板整流后，开机机组对应的前池区域回流得到了转移、减小.

5.3 误差分析

针对试验测量结果与数值计算结果，引入相对误差Er与标准差Es这2个特征量，进行误差分析.试验测量与数值计算的相对误差及标准差如表2所示.由表可知，试验测量结果与数值计算结果的相对误差基本都在5.00%以内，最大相对误差仅为7.87%.

表2 轴向速度试验测量结果与数值计算结果误差分析

6 结 论

1) 泵站前池两侧存在着较大的回流与旋涡区域，当机组不对称，前池内未开机侧的回流与旋涡区域面积大于开机侧，随着两侧机组开启差异程度的增大，该现象愈发明显，且主流受到的压迫也由来自两侧的回流与旋涡区转变为来自未开机一侧的回流与旋涡区.不同开机工况下的水泵进水条件均需改善.

2) 利用阵列式隔板整流后，前池内未开机运行一侧的旋涡和回流区域明显减小，开机侧的回流与旋涡区域已完全消失，主流受到的压迫显著减弱.当右侧2台机组开机运行时，前池断面流速均匀度为63.17%，较整流前提高5.78%;当右侧3台机组开机运行时，断面流速均匀度为61.81%，较整流前提高5.47%;当右侧4台机组开机运行时，断面流速均匀度为47.23%，较整流前提高8.81%.

3) 经试验测量的数据表明，数值模拟结果与试验结果基本吻合，得到了试验的验证.