泵站進(jìn)水池?cái)?shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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摘要：進(jìn)水池對(duì)水泵進(jìn)水流態(tài)影響較大。利用CFD軟件，對(duì)某河口泵站進(jìn)水池進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。受場(chǎng)地制約，通過(guò)對(duì)比不同尺寸下進(jìn)水池流量分布的均勻性、靜壓分布和流態(tài)分布，分析各方向尺寸變化對(duì)進(jìn)水水流的影響。結(jié)果表明：將方形進(jìn)水池改為收縮式、減少進(jìn)水池寬度收縮角、消除進(jìn)水池高度方向棱角，均可改善進(jìn)水池流態(tài)分布，減小流量偏差比，并減少回流面積，共降低水頭損失0.25m，給泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)提供支持。

關(guān)鍵詞：進(jìn)水池；尺寸；優(yōu)化；數(shù)值模擬

引言

泵站進(jìn)水前池是連接引渠與水泵進(jìn)水流道的重要水工建筑物，其形狀和尺寸不僅關(guān)系水泵進(jìn)水流態(tài)，對(duì)泵站的投資和管理運(yùn)行也帶來(lái)較大影響。在水泵機(jī)組較多的情況下，為保證池中有較好的流態(tài)，需要增加池長(zhǎng)，從而導(dǎo)致工程量和占地面積的增加。而某河口泵站受場(chǎng)地制約，引水箱涵及進(jìn)水池空間有限，需對(duì)擬定的進(jìn)水池布置方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善流態(tài)分布，減少水力損失。近年來(lái)，已有許多研究人員采用數(shù)值模擬或水工模型試驗(yàn)[1-4]對(duì)泵站進(jìn)水池進(jìn)行研究，并提出許多流態(tài)改善的措施。本文針對(duì)該工程空間尺寸受限及箱涵引水的特點(diǎn)，采用CFD技術(shù)，將與進(jìn)水池連接的引水箱涵及進(jìn)水流道整體進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)不同尺寸及形狀下的進(jìn)水池進(jìn)行流量分布均勻性、靜壓分布和內(nèi)部流態(tài)分析，對(duì)泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)提供支持。

一、數(shù)值計(jì)算方法

1．計(jì)算模型某泵站排澇規(guī)模約235m3/s，擬設(shè)計(jì)采用四臺(tái)斜式軸流泵，引水箱涵采用頂管施工。泵站進(jìn)水池非開(kāi)敞式，故不考慮自由液面對(duì)進(jìn)水池的影響。如圖1所示，為包含引水箱涵、進(jìn)水池及進(jìn)水流道的泵站進(jìn)水側(cè)流道數(shù)值模擬計(jì)算模型。2．計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格對(duì)泵站進(jìn)水側(cè)流道進(jìn)行研究，計(jì)算區(qū)域包含進(jìn)水池及泵裝置進(jìn)水流道。計(jì)算區(qū)域的邊界由固體邊壁、進(jìn)水池進(jìn)口端面和泵裝置進(jìn)水流道出口斷面組成。進(jìn)水側(cè)上方結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，采用六面體網(wǎng)格劃分，泵裝置進(jìn)水流道為圓方漸變結(jié)構(gòu)，故采用以四面體為主的混合網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格總數(shù)在200~250萬(wàn)之間，網(wǎng)格質(zhì)量滿(mǎn)足計(jì)算要求。3．湍流模型及邊界條件采用CFD軟件對(duì)水泵進(jìn)水池前管道、進(jìn)水池及泵段進(jìn)水流道模擬計(jì)算?？紤]到水池及水泵進(jìn)水流道內(nèi)部流動(dòng)為三維不可壓縮黏性流體流動(dòng)，數(shù)值計(jì)算采用連續(xù)性方程和N-S方程為控制方程[5]，采用Spalart-Allmaras[6]單方程模型為湍流數(shù)值模擬方法。采用二階迎風(fēng)格式，隱式求解。利用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度耦合。進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口條件，在進(jìn)水池進(jìn)口面處，給定流速值。出口條件采用壓力出口條件，在泵裝置進(jìn)水流道出口處，給定壓力值。在臨近固壁的區(qū)域采用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固壁面采用無(wú)滑移邊界條件。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

1．長(zhǎng)度方向尺寸優(yōu)化由于常規(guī)設(shè)計(jì)中進(jìn)水池為方形，對(duì)水流影響較大，將其直角部分切割，并建立三種不同長(zhǎng)度及傾斜角的進(jìn)水池，進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，對(duì)應(yīng)的泵站進(jìn)水側(cè)流道示意圖如圖3所示。（1）流量偏差長(zhǎng)度方向不同尺寸時(shí)進(jìn)水側(cè)流道數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，如表1所示。這四個(gè)方案計(jì)算工況下，流道總流量一致，均接近于235m3/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。水頭損失是是衡量流道性能的重要指標(biāo)。從原方案至方案四，水頭損失及流量偏差比依次降低，其中由原方案至方案二，由方案三至方案四時(shí)，降低幅度較大，說(shuō)明沿長(zhǎng)度方向尺寸的變化對(duì)進(jìn)水池水力性能影響較大。（2）靜壓分布圖3為長(zhǎng)度方向不同尺寸時(shí)進(jìn)水側(cè)流道靜壓分布圖。由圖可見(jiàn)，進(jìn)水池上方靠泵側(cè)均有局部高壓，說(shuō)明水流對(duì)進(jìn)水池的沖擊主要集中在此處。方案二至方案四中，進(jìn)水池下方處壓力面有高壓，這主要是因?yàn)橛捎谥亓ψ饔?，水流在水池底部壓?qiáng)較大。（3）流線分布圖圖4為沿長(zhǎng)度方向不同尺寸泵站進(jìn)水側(cè)各方案的流線分布圖。由圖可見(jiàn)，進(jìn)水口處流態(tài)平穩(wěn)，泵裝置出水流道處，由于面積較小，流速增大。整體來(lái)看，原方案中流態(tài)最為混亂，回流面積最大，原方案至方案四，回流面積依次減少，但仍有較大面積的回流現(xiàn)象。2．寬度方向尺寸優(yōu)化由于方案四中水流在水平方向仍有較大面積的回流及漩渦現(xiàn)象，為進(jìn)一步減少回流情況，在寬度方向建立兩種不同傾斜角的進(jìn)水池，方案五在方案四的基礎(chǔ)上，將進(jìn)水池收縮傾角減小，方案六在方案五的基礎(chǔ)上，收縮過(guò)渡段做成喇叭狀，不同方案泵站進(jìn)水側(cè)流道示意圖如圖5所示。（1）計(jì)算結(jié)果寬度方向不同尺寸時(shí)進(jìn)水側(cè)流道數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，如表2所示。各方案水頭損失相差不大，其中，方案五水頭損失最小、流量偏差比最小，說(shuō)明其進(jìn)入四個(gè)泵裝置進(jìn)水流道的流量較為均勻。（2）流速分布圖圖6為寬度方向不同尺寸進(jìn)水側(cè)流道流速分布圖。由圖可見(jiàn)，方案五與方案六較方案四，在水平面上的回流面積有大幅減少；而方案六中，由于喇叭狀收縮段，產(chǎn)生脫流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致水力損失的增大。3．高度方向尺寸優(yōu)化由于方案五中水流在進(jìn)水池下方回流面積較大，為進(jìn)一步減弱回流，減小水頭損失，在高度方向建立兩種不同傾斜角的進(jìn)水池。方案七在方案五的基礎(chǔ)上，在進(jìn)水池靠泵側(cè)上方使過(guò)渡更加平滑；方案八在方案七的基礎(chǔ)上，在進(jìn)水池靠進(jìn)口側(cè)下方使過(guò)渡更加平滑，不同方案泵站進(jìn)水側(cè)流道示意圖如圖7所示。（1）計(jì)算結(jié)果寬度方向不同尺寸時(shí)進(jìn)水側(cè)流道數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，如表2.3所示。各方案水頭損失依次減小，其中，方案八水頭損失最小。另外，各方案的流量偏差比相差較小，方案七流量偏差比最小，說(shuō)明其進(jìn)入四個(gè)泵裝置進(jìn)水流道的流量最為均勻。（2）流速分布圖圖8為沿高度方向不同尺寸泵站進(jìn)水側(cè)各方案的流速分布圖。由圖可見(jiàn)，高度方向尺寸的優(yōu)化可減少豎直方向上回流面積，方案七中基本消除了方案五中進(jìn)水池上方靠泵側(cè)的小面積回流情況，且進(jìn)水池下方的回流面積也有減小；而方案八中進(jìn)水池下方的面積最小，這與其水頭損失最小相吻合。考慮施工方便等因素，綜合考慮推薦采用方案七。

三、結(jié)論

（1）改變進(jìn)水池長(zhǎng)度方向尺寸，將方形進(jìn)水池改為收縮式，可明顯改善進(jìn)水側(cè)流道流態(tài)分布，降低水頭損失，減少流量偏差比，并減小回流面積。（2）減少進(jìn)水池寬度收縮角，可進(jìn)一步小幅改善進(jìn)水側(cè)流道流態(tài)分布，并說(shuō)明，收縮角較小時(shí)對(duì)水流的影響較小，喇叭狀的收縮角不如直線型收縮角。（3）進(jìn)水池高度方向棱角平滑后，可使進(jìn)水池在豎直方向的回流區(qū)減小，可小幅改善進(jìn)水側(cè)流道流態(tài)分布，降低水頭損失，并減小回流面積。

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作者：李玲玉 單位：上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司