复杂进流条件下泵站进水流态优化试验

奚 斌, 陈志刚, 陈叶欣, 沈世煊, 张雄伟, 徐 健, 王欣昱

(扬州大学水利科学与工程学院, 江苏 扬州 225127)

水利工程的规划设计通常会受到征地和投资的影响, 闸站结合工程为一体化布置, 其结构紧凑, 占地面积少, 在一些地区被广泛应用．然而, 闸站结合的布置形式易导致泵站运行时水流流向偏折, 并在泵站前池引起较大的横向流速, 致使泵站进水池产生吸气漩涡．目前, 主要采用物理模型试验[1-3]和数值模拟分析[4-8]等方法进行泵站前池水流流态的研究．Xi等[9]采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法,研究了不同孔高比的镂空式整流底坎对泵站前池流态的影响; Yang等[10]针对横向取水泵站前池不良流态的问题, 设置整流柱和开孔导流墙, 减少了涡流面积, 提高了流速均匀性; Xi等[11]使用数值模拟方法优化闸站结合工程的不良流态, 提出导流墩能够缩小回流范围,改善进水流速分布; Yan等[12]采用1∶12的物理模型分析超短前池不良流态产生的原因, 全面优化进水流场．现有研究多以两建筑物组合的闸、站结合式泵站为主, 关于多建筑物组合式泵站复杂进流条件下的整流研究鲜见报道．本文以某闸、站、桥结合式复杂泵站工程为研究对象, 拟设计闸站水工模型,并采用UG12.0软件对闸站的进水过程进行建模, 通过物理模型试验和数值模拟对比分析不同优化措施下前池的面层流场和进水流道断面的流速均匀度, 确定最佳整流方案, 以期为类似工程提供借鉴和参考．

1 工程概况

某闸、站、桥结合式泵站已建工程位于河道左岸, 为现状排涝闸, 共有闸室3孔, 单孔净宽6.6 m, 底高程-1.87 m．为提升工程排涝能力, 河道右岸拟建一座排涝闸与泵站整体布置的闸站结合式泵站, 工程平面图如图1所示. 拟建工程共有闸室3孔, 其中泵站左侧2孔, 右侧1孔, 单孔净宽6 m, 底高程-1.87 m．泵站斜向进水口布置于规划桥梁桥墩的下游侧, 与上游河道轴线夹角约16°, 泵站设计排涝流量60 m3·s-1, 最低水位运行工况下上游水位0.8 m, 下游水位1.6 m, 扬程0.8 m, 前池底高程-8 m, 前池坡比1∶4．泵站采用3台轴流泵, 为肘形进水流道, 单泵流量20 m3·s-1, 与排涝闸联合运行．初步设计方案如下: 采用高程为0 m的低矮隔墩将排涝闸与泵站进水池隔开, 隔墩之间布置高度为0.5 m的底坎．在此方案下, 水流越过隔墩时将产生较大的横向流速, 易造成部分泵组进水池的水流偏流, 致使进水池内产生吸气漩涡, 影响机组的安全运行．

图1 闸站工程平面图(m)Fig.1 Plan graph of sluice-pump station

2 模型建立与评价

2.1 物理模型及数据采集

为研究泵站在典型水位运行时的水流流态, 设计闸站水工模型,模型布置如图2所示．按照相似准则及相关规程, 结合平面布置及试验大厅场地条件, 确定模型几何比尺为40, 相应的流速比尺、流量比尺和糙率比尺分别为6.324, 10 119.289和1.849．根据糙率相似性, 闸站混凝土部分采用有机玻璃板制作, 引河、前池、外海段以及进出水箱采用聚氯乙烯板制作,防冲槽部位用碎屑和黏合胶进行加糙处理．

图2 水工模型布置图Fig.2 Layout photo of hydraulic model

试验中流量采用电磁流量计和超声波流量计互验测量, 并利用三角堰对单泵流量进行校核; 水位采用水位仪和测压管水位测量法互校测量; 面层流场采用数字粒子图像测速(digital particle image velocimetry, DPIV)系统测量．

2.2 计算模型及边界条件

采用UG12.0软件对闸站的进水过程进行建模, 三维模型如图3所示．本文主要研究泵站前池流态, 模型由引河、泵站前池、进水池、桥墩和排涝闸等组成．

图3 数值模拟三维模型Fig.3 Three-dimensional numerical simulation model

将引河进口断面设置为数值模拟计算域的进口边界, 采用质量流量入口边界, 进水总流量为60 m3·s-1, 中等湍流强度T=5%; 泵站3个进水流道的进口断面设置为数值模拟计算域的出口边界, 每个出口采用自由出流边界．计算域内水位变化较小, 自由液面采用对称边界处理, 忽略空气对水面的切应力作用．除进出口和自由液面外, 其余部分均为固体边界．设置最大迭代步数为1 000, 默认监控参数保持不变, 收敛精度为10-3．

利用ANSYS软件中的mesh工具对三维模型进行网格划分, 采用对几何结构边界适应性强的四面体非结构化网格．网格无关性分析结果如图4所示, 当网格总数为3.43×106时, 总水力损失基本一致, 差值在2%以内, 满足计算要求．

图4 网格无关性分析Fig.4 Irrelative Analysis of grid

2.3 流速均匀度计算

图5 测点位置示意图Fig.5 Location of measuring points

3 优化方案

3.1 导流墩头优化

设计15°,25°,30°,45°,60°等5种角度的导流墩头, 模拟不同角度的导流墩头对前池流态的影响, 得到如图6所示的面层流线云图, 如图6所示．由图6可知, 15°和25°导流墩头过长, 导致两侧水流进入前池后,在导流墩内侧形成低速回流区, 使水流无法顺直进入进水池, 且进水池内存在大范围的回流区, 整流效果较差; 60°导流墩头较短, 水流进入前池的角度过大, 且没有足够的距离进行水流调整, 整流效果较差; 导流墩头角度为30°和45°时, 两侧水流进入前池的角度较小, 且留有一定的水流调整距离, 同时两侧来流和正向来流的相互影响较小, 水流可以较为顺直地进入进水池．

图6 不同角度导流墩头下的面层流线云图Fig.6 Surface streamline cloud image under diversion pier head at different angles

计算不同角度导流墩头下进水流道断面的流速均匀度, 结果如表1所示．结合图6和表1可知: 当导流墩头角度小于30°, 长宽比大于1.5时, 导流墩头内侧存在低速回流区, 随着导流墩头角度增加, 长宽比减小, 回流区范围逐渐减小, 进水流道断面的流速均匀度随之增加; 当导流墩头大于30°, 长宽比小于1.5时, 导流墩头内侧的低速回流区消失, 但随着导流墩头角度增大, 长宽比减小, 水流从两侧进入前池的角度增加, 并且水流没有足够的调整距离, 故流速均匀度也逐渐减小．综上, 最佳导流墩头角度为30°．

表1 不同角度导流墩头下进水流道断面流速均匀度

3.2 组合优化措施

为进一步改善闸站前池流态, 选取30°导流墩头的同时增加多种工程措施, 包括将原设计底坎更换为镂空底坎, 在泵站两侧等间距位置布置整流柱等．分析不同优化措施对前池及进水池偏流的改善效果, 绘制不同优化措施下面层流线云图, 并计算不同优化措施下的流速均匀度, 结果如图7和表2所示．

表2 不同优化措施下的流速均匀度

图7 不同优化措施下面层流线云图Fig.7 Streamline nephogram under different optimization measures

由图7和表2可知: 设置镂空底坎的优化方案6与优化方案3相比, 通过底坎镂空部分的底层水流会与前池的侧向来流碰撞、混掺, 发生动量与能量的交换, 从而调整侧向来流, 提高了1号和3号进水流道的过流均匀性, 而2号进水流道高速区偏向一侧, 故整体流速均匀度略微下降; 设置整流柱的优化方案7与优化方案3相比, 虽然整流柱具有阻水分流的作用, 但两侧水流的过水断面减小, 流速增加, 造成1号和3号进水流道的流速差增加, 流速均匀度下降了2.76%, 说明仅加入整流柱对于进水流道进口断面整体的流速均匀度起到了负优化效果; 同时设置镂空底坎和整流柱的优化方案8与单一优化方案相比, 不仅发挥了整流柱的分流作用, 而且通过底坎镂空部分的底层水流会对绕过整流柱的侧向来流碰撞、混掺, 动量与能量的交换更加充分,从而调整侧向来流, 提高了1号和3号进水流道的过流均匀性, 同时对2号进水流道影响较小, 进水流道断面的流速均匀度为92.64%, 相比优化方案3有较大提升．综上, 30°导流墩头+镂空底坎+整流柱的组合优化方案可有效改善前池的偏流现象．