闸站结合泵站进水池优化数值模拟研究

周东方，王怡波，周济人，杨 帆

(1.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 扬州 225004)

进水池内水流状态是泵站运行效率的重要影响因素，通过合理布置导流墩，可改善整个流道内流态[1-4]，使水流变得更加平顺。工程中常采用单一导流墙[5]、消涡板[6]和导流板[7]等整流措施，以提高进水流道的流速分布均匀度和解决因横向流速产生的偏流问题；资丹等[8-9]针对泵站进水池内大范围回流区和旋涡提出采用两种或两种以上的导控措施，可改善进水池或前池中的不良流态。

本文以某泵站为研究对象，该工程结构特殊，两泵房分别位于闸室两旁。针对泵站进水池的大面积旋涡和偏斜问题，以及进水池内喇叭口附近的旋涡，提出导流墩与消涡板相结合的方式；采用正交试验法确定合适的十字消涡板尺寸，有效解决进水池不同位置的流态不良问题。应用数值计算软件，通过对比原始方案和加不同整流措施方案的流速云图、相应位置的流速分布均匀度及速度加权平均角，研究组合式消能措施在大型泵站进水流场流态改善中的作用和效果，以期为类似的闸站结合泵站设计提供参考。

1 数值模拟

某泵站是一座闸站结合工程，通过三维建模软件UG 建立泵站模型。整个模型分为3 个部分，按顺水流方向分别为引河、前池和进水池。泵站平面布置见图1，以整个水体流动区域为计算区域，分为1#、2#两个进水池，进水池长7.10 m，宽2.00 m，前池底高程为-0.50 m，进水池底高程为-1.00 m。泵站设计流量为4.00 m3/s，考虑泵站实际运行，采用两种计算水位分别为运行水位1.50 m 和低水位1.00 m。

图1 泵站平面布置Fig.1 Layout design of a sluice-pump station

计算流场以距进水池40 m 断面处的引河段为进口边界，采用质量流进口且紊流强度设置为5%[10]。选择水泵2 个出水口断面为出口边界，因本文研究泵站进水池流态，故采用静压出口，压强为1 个标准大气压[11]。边壁、池底等[11]均为固体壁面，设置为Wall，采用无滑移的壁面处理。进水池内水面超高较小且水面波动不大，自由液面忽略液面和空气之间的热交换和热传导作用，选用刚盖假定方法处理[12]；并将自由液面设为对称边界，收敛精度取10-5。

数值模拟中，对原方案（即不添加任何整流措施的方案）分别采用Standardk-ε、RNGk-ε和SSG 共3 种湍流模型进行数值模拟计算。研究[13]表明，数值模拟结果收敛条件为质量流量连续方程残差小于10-4。通过对比分析此3 种模型收敛速度和收敛后振荡情况，最终选用Standardk-ε模型。Standardk-ɛ模型如下：

式中：ρ为水体密度；k为湍动能；Qk为紊流量；xj为坐标分量；μ为湍流黏度；μt为紊流黏度；σk=1.00；ε为湍流耗散率（m2/s3）；C1=1.45；Pk为紊动能的生成项；C2=1.92；Cμ=0.09；σε=1.30。

采用Ansys Mesh 非结构化网格软件进行网格划分，并对喇叭口结构复杂区域进行局部加密处理。鉴于网格数量较大会影响计算结果的准确性，有必要对网格进行无关性分析，并以水力损失[14]作为衡量网格无关性的标准。通过计算发现网格数量控制在约126 万个时，水力损失达到稳定状态，满足网格无关性要求。因此，本次计算所取网格数量为126 万个。

流线可直观表现进水池内水流流动及旋涡情况，流速分布均匀度[11]可衡量所选取特征断面的速度分布，速度加权平均角[15]可衡量进水池各断面的横向流速分布。流速分布均匀度和速度加权平均角计算式为：

式中：Vu为断面轴向流速分布均匀度（%）；为断面平均轴向流速（m/s），=Q/A；vai为断面各计算单元的轴向速度（m/s）；∆Ai、A为单元面积、断面面积（m2）；θi为断面的速度加权平均角；vti为断面各单元的横向速度（m/s）。

共取5 个断面以分析进水池内的水流特征，各特征断面见图2。选取进水池靠近喇叭口的2 个垂直断面进行流场分析，即断面1-1 和2-2，主要衡量进入水泵口的流态；计算中水位保持不变，以距进水池40 m 为坐标Y=0，以运行水位为坐标Z=0，其中1-1 断面的坐标为Y1-1=39.7 m，2-2 断面的坐标为Z2-2=-1.86 m。选取平行于水流方向的3 个水平剖面即面层a-a、中层b-b、底层c-c，以分析进水池内较大范围的流态，运行水位下坐标分别为进水池面层Za-a=-0.03 m、中层Zb-b=-0.93 m、底层Zc-c=-1.86 m，低水位下坐标分别为进水池面层Za-a=-0.53 m、中层Zb-b=-1.18 m、底层Zc-c=-1.86 m。

图2 特征断面示意Fig.2 Feature sections diagram

2 原方案计算结果及分析

经模拟计算，原方案运行水位和低水位进水池面层a-a、中层b-b和底层c-c流线分别见图3 和图4，原方案下运行水位和低水位特征断面下流速分布均匀度和速度加权平均角见表1。

表1 原方案流速分布均匀度和速度加权平均角Tab.1 Axial velocity uniformity and weighted average angle of original scheme

图4 低水位流线及速度Fig.4 Streamline and velocity diagram of low water level scheme

由图3 和4 可见：在运行水位下，水流进入进水池后容易在隔墩周围发生回流，并伴有旋涡，旋涡中心位置由面层至底层大致相同，这导致回流区流态紊乱；自面层到中层，旋涡由进水池隔墩附近回流产生并且速度分布存在明显梯度变化，进水流道靠近隔墩侧速度普遍较小，随高程降低，旋涡速度自上而下变大。

面层水流回流区域最大，更易产生旋涡回流区。结合表1 分析可知，在1#进水池中，面层和中层均存在大小不同的旋涡，低水位运行时除在进水隔墩附近产生与运行水位类似的旋涡，还在1#进水池底层产生小范围旋涡。比较2 种水位下的流态可见，低水位运行时流态更加紊乱，对进水流态的影响较大。针对这一现象，拟采用导流墩与十字消涡板相结合的方式改善进水池流态。

3 整流方案计算结果及分析

3.1 整流方案设计

导流墩作为工程中常用的整流设施，因其结构简单、整流效果显著，而被广泛使用。在进水池设置4 种不同长度的导流墩，导流墩宽度b取0.80 m，高度H取2.00 m，头部为圆弧形，长度为1D、2D、3D、4D，其中D=1.02 m 为喇叭口直径。导流墩结构见图5。

图5 导流墩示意Fig.5 The drawing of diversion piers

3.2 整流效果分析

经数值模拟计算，运行水位和低水位整流方案的流场计算结果见图6 和7，各整流方案的流速分布均匀度和速度加权平均角见表2。其中，方案1～4 分别对应导流墩长度为 1D、2D、3D和 4D。

表2 各整流方案断面流速分布均匀度和速度加权平均角Tab.2 Uniformity of axial velocity and weighted average angle in various rectification schemes

图6 运行水位各整流方案流线及流速Fig.6 Streamline and velocity diagram for operating water level rectification schemes

图7 低水位各整流方案流线和流速Fig.7 Streamline and velocity diagram of low water level rectification schemes

由图6 和7 可见：旋涡产生原因主要是不同断面流速差值较大，隔墩侧流速偏小。出现旋涡的区域随导流墩长度增加而减小，流线渐变更加平顺，且随导流墩长度的增加，旋涡沿顺水流方向移动。但当导流墩长度达3D以上时，导流墩长度对旋涡和流线变化影响较小，且各断面流速较其他方案分布均匀。由表2 可见：在方案3 和4 中流速分布均匀度和速度加权平均角提升最为明显，综合考虑运行水位和低水位的流态，优先考虑方案3；方案3 较原方案运行水位下的流速分布均匀度和速度加权平均角分别提高1.84%和0.57°，低水位下分别提高2.58%和0.26°。

4 组合式整流方案分析

方案3 对进水池表面旋涡消除效果很好，但1#、2#进水池的流速分布均匀度和速度加权平均角没有明显提升，喇叭口处还有较小范围的旋涡，需进一步调整使流线更加平顺。在方案3 的基础上，在喇叭口处增设十字消涡板，分析组合消能方式对进水池流线的影响。

为确定十字消涡板尺寸，采用正交试验法对十字消涡板的上、下边缘宽、下底座高及整体高度这4 个因素进行选优，十字消涡板尺寸见图8。表3 和图9 为运行水位下因素水平表和各因素对流速分布均匀度的影响。低水位下正交试验同理。消涡板厚度s取10 mm，分析各因素与流速分布均匀度的关系，并在此基础上利用数值模拟研究各型号十字消涡板对进口处流态的改善情况。

表3 因素水平Tab.3 Influencing factors

图8 十字消涡板示意Fig.8 The drawings of cross vortex baffle

图9 各因素对流速分布均匀度的影响Fig.9 The influence of various factors on the axial velocity uniformity

对正交试验的结果分析通常采用直接计算法和观察各因素影响法。方案5 为直接计算法得出的最优方案。由图8 可知，对流速分布均匀度影响最小的消涡板尺寸分别为上边缘宽80 mm、下边缘宽1 000 mm、下底座高50 mm 和整体高130 mm；观察图9 中各因素对流速分布均匀度的折线变化趋势可知，增加消涡板的下边缘宽、下底座高和整体高度并减小下边缘宽可提升效果。方案6 为观察各因素影响法得出的最优方案。

表4 为两种水位下通过正交试验法得出的十字消涡板尺寸。表5 为两种水位下组合式整流措施断面流速分布均匀度和速度加权平均角。运行水位和低水位流线分别见图10 和11。

表4 十字消涡板尺寸Tab.4 The various dimensions of cross vortex eliminator

表5 组合式整流断面流速分布均匀度和速度加权平均角Tab.5 Axial velocity uniformity and weighted average angle for different sections of combined rectification measures

图10 运行水位下流线和速度Fig.10 Streamline and velocity diagram for operational water levels

图11 低水位下流线和速度Fig.11 Diagram depicting streamlines and velocities during low water levels

可见，增设十字消涡板可起到消涡和引导水流的作用。在消涡板的导流下，运行水位下方案5 进口断面流速分布均匀度和速度加权平均角分别较原方案提高5.88%和2.83°，但方案6 喇叭口流速分布均匀度和速度加权平均角提升效果没有方案5 明显，且在喇叭口的流速分布均匀度有所降低。低水位下方案5 进口断面流速分布均匀度和速度加权平均角较原方案提高2.73%和1.13°，喇叭口处旋涡得到良好消除，而方案6 较方案3 在喇叭口处流速分布均匀度下降了0.14%。综上，方案5 整流效果最佳。

5 结语

为研究进水泵站进水池内的不良流态和十字消涡板对喇叭口下游水体的整流效果，以某闸站结合泵站工程为例，通过数值模拟运行水位和低水位下不同长度的导流墩对水流流态的影响，得出如下结论：

（1）通过对两种水位下的流线、流速分布均匀度和速度加权平均角的分析可知，设置长度为3 倍喇叭口直径的导流墩（导流墩前部为圆弧形）时，对进水池面层、中层及底层旋涡改善最为明显，有效改善了水泵的进水条件。

（2）在设置导流墩基础上，通过在喇叭口处采用十字消涡板的方式，使水流更顺直流入进水池，进一步优化了水泵的进水条件。研究结果可为类似闸站结合泵站工程的进水池流态改善提供参考。