泵站正向进水前池“V”形导流墩整流数值模拟

刘志泉; 成立; 卜舸; 袁连冲; 施伟; Zhi-quan LIU; Li CHENG; Ge BU; Lian-chong YUAN; Wei SHI

中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (3) : 183-188.

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Numerical Simulation of V-Shaped Diversion Pier for Improving the Flow Pattern in Forward Inlet Forebay of the Pumping Station

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摘要

基于CFX软件，运用N-S方程和RNG k-ε湍流模型，对某泵站正向进水前池流态进行数值模拟，分析无整流措施下前池的流动特性，研究增设“V”形导流墩的位置、长度、分叉角度等因素对前池流态和机组进口轴向速度分布均匀度的影响。计算结果表明：无整流措施时，泵站前池面层流态较好，底层两侧存在大区域回流；“V”形导流墩具有良好的分流扩散作用，但单个“V”形导流墩方案难以使每台机组进口的轴向速度分布均匀度均得到提升，设置两个相同的“V”形导流墩常导致1号机组前的水流发生偏斜，导致其进水流态差，设置两个不同的“V”形导流墩更有利于前池不良流态的消除。当导流墩A、导流墩B分别距进水池进口15D、20D，距2号机组中心线7.5D、5D，长度均为3D，分叉角度分别为15°、30°时，对前池两侧的回流区具有较好的改善作用，使1、2、3号机组进口的轴向速度分布均匀度分别提高17.8%、2.7%、9.8%。

Abstract

Based on CFX software， N-S equation and RNG k-ε turbulence model were used to simulate theflow pattern of the forebay of a pumping station. To analyze the flow pattern of the forebay without rectification， and study the influence of the position， length and bifurcation angle of the V-shaped diversion pier on the flow pattern of the forebay and the uniformity of axial velocity distribution at the inlet of the unit. The results show that the laminar flow pattern of the forebay surface of the pumping station is better without rectifying measures， and there is a large area of the backflow on both sides of the bottom. V-shaped diversion pier have good diversion and diffusion effect on the incoming flow， but a single V-shaped diversion pier scheme is difficult to improve the uniformity of axial velocity distribution of each unit. The setting of two identical V-shaped diversion piers often leads to the deviation of the water flow in front of the No.1 unit， resulting in the poor inflow state. Setting two different V-shaped diversion piers is more beneficial to the elimination of the bad flow pattern in forebay. When pier A and pier B are respectively 15D and 20D away from the inlet of the inlet pool， 7.5D and 5D away from the centerline of Unit No.2， the lengths are both 3D， and the bifurcation angles are respectively 15° and 30°， the backflow area on both sides of the front pool has A better improving effect. The uniformity of axial velocity distribution at the inlet of No.1， No.2 and No.3 units increases by 17.8%， 2.7% and 9.8%， respectively.

关键词

泵站 / 前池 / “V”形导流墩 / 数值模拟

Key words

pumping station / forebay / V-shaped diversion pier / numerical simulation

基金

国家自然科学基金(51779214)

江苏水利科技项目(2019014)

江苏水利科技项目(2020027)

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刘志泉 , 成立 , 卜舸 , 袁连冲 , 施伟. 泵站正向进水前池“V”形导流墩整流数值模拟[J].中国农村水利水电, 2022(3): 183-188

Zhi-quan LIU , Li CHENG , Ge BU , Lian-chong YUAN , Wei SHI. Numerical Simulation of V-Shaped Diversion Pier for Improving the Flow Pattern in Forward Inlet Forebay of the Pumping Station[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(3): 183-188

0 引言

一些泵站在建设时，受地形及兼顾排涝要求的限制，前池设计为不规则的正向进水型式。这种不规则型式的泵站前池虽然方便施工，但容易在前池内形成漩涡和回流，导致进水条件差^［1］，进而引发水泵叶片、叶轮室汽蚀^［2］，不利于泵站的运行和维护。

针对泵站前池流态的改善，国内外很多学者进行了研究，其中底坎^［3，4］、导流墩^［5-7］、压水板^［7，8］等整流措施得到了广泛应用。成立等^［9］利用数值模拟方法研究底坎整流的流场结构，并分析了底坎的主要特征参数对前池流态的影响；高传昌等^［10］分析底坎与压水板的联合整流机理，消除了机组振动，提高了水泵运行效率；罗灿等^［11］通过在前池内设置导流墩缩小了回流区的范围，改善了进水流道进口断面的流速分布；冯建刚等^［12］提出底墩和导流墩等措施来改善进水口流态，并进行了试验验证。近几年也有学者提出倒T形底坎^［13］、镂空式底坎^［14］、楔形导流墩^［15］等新型整流措施。本文针对某泵站不规则前池的不良流态，提出“V”形导流墩的9种整流措施，通过数值模拟方法分析研究导流墩位置、个数、几何参数对泵站前池流态及进水池进口轴向速度分布均匀度的影响，并与试验数据进行比较，得出的结果对不规则正向进水前池的流态改善具有一定参考意义。

1 数值模拟模型及计算方法

1.1 数学模型

前池内的流动可视为三维不可压缩黏性湍流流动，RNG k-ε湍流模型来源于严格的统计技术，通过修正湍动黏度并考虑平均流动中的旋转及旋流情况，同时在ε方程中增加反映主流时均应变率的一项，可以很好地处理带旋流^［16］。因此采用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型描述该流动，其控制方程包括连续性方程、动量方程，即式（1）和式（2）。

连续性方程：

\frac{\partial u_{i}}{\partial x_{i}} = 0

（1）

动量方程：

u_{j} \frac{\partial u_{i}}{\partial x_{i}} = g - \frac{1}{ρ} \frac{\partial p}{\partial x_{i}} + \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(v + v_{t}) (\frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}} + \frac{\partial u_{j}}{\partial x_{i}})]

（2）

式中：u_i 分别为x、y、z方向的速度分量；p为压力；ρ为流体密度；g为重力加速度；ν为水的运动黏性系数；ν_t 为紊动黏性系数。

1.2 计算域参数及网格划分

在UG NX12.0软件构建泵站的三维流体计算域，包含引渠、涵洞、前池、进水池和各水泵的出水管。该泵站设计运行水位28.5 m，水深4.6 m；最低运行水位27.5 m，水深3.6 m，是前池不良流态产生的不利水位，本次计算对该水位工况进行数值模拟。泵站安装3台轴流泵机组，单泵设计流量3 m³/s，叶轮直径D=800 mm。本次数值计算主要研究前池流态，以进水喇叭管和出水弯管代替泵段。计算域及其具体尺寸参数如图1所示。

图1 计算域及其尺寸示意图

注：

D为吸水管直径。

Fig. 1 Diagram of calculation domain and its size

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在ANSYS Mesh中对计算域采用非结构化网格划分。为保证网格质量和计算的可靠性，对前池和进水池段网格进行加密，对出水弯管壁面设置边界层，层数为6层，增长率为1.2。网格划分示意图如图2所示。

图2 局部网格划分及出水管边界层示意图

Fig.2 Diagram of local mesh division and boundary layer of outlet pipe

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1.3 边界条件设置

将引渠进水断面设置为计算域进口，设为质量流量进口，进口流量9 000 kg/s；进水池出水管出水侧为出口，设为自由出流条件，参考压力101.325 kPa；根据刚盖假定，自由水面设为对称边界；其余壁面为固体壁面，采用壁面函数处理；计算采用一阶迎风格式，收敛精度为10^-4。

1.4 网格无关性检验

为提高计算速度，同时保证计算的准确性，对计算域网格进行无关性分析。在ANSYS Mesh中剖分8组不同数量的网格，分别为178.9万、284.3万、331.5万、394.5万、433.7万、510.6万、634.0万、740.2万个，以水力损失作为网格无关性的评价指标，水力损失的计算公式见式（3） ^［17］。

Δ h = \frac{P_{i n} - P_{o u t}}{ρ g}

（3）

式中：Δh为引渠进口到吸水管出口的总水力损失；P_in 为进口的总压强；P_out 为出口的总压强；ρ为流体密度；g为重力加速度。

图3为不同网格数量下的水力损失，由图可知，网格数量超过433.7万个后，水力损失基本不变，相对变化在±2%以内，本次计算选取的网格数量级为510.6万个。

图3 不同网格数量下的水力损失

Fig.3 Hydraulic losses under different mesh numbers

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2 研究方案

导流墩能显著改善前池中的回流和二次环流^［18］，而“V”形导流墩能使水流沿其两翼扩散因而具有良好的分流作用。该前池为扩散前池，为消除前池回流区使水流更好地扩散以均匀地进入进水池，将导流墩设计为“V”形。本文研究了“V”形导流墩的9种整流方案，方案1不设整流措施，为原方案；方案2~4布置1个导流墩A；方案5~10布置2个导流墩，分别为导流墩A、导流墩B，分别位于1、3号机组前，位置由到进水池进口的距离X和距2号机组中心线的距离Y确定（见图1）。通过对导流墩位置、长度、分叉角度3种参数的设置，达到整流的效果。其尺寸参数如图4所示，W、L、H、θ分别为导流墩的宽度、长度、高度、分叉角度，导流墩的宽度W为0.5D，高度H高于水深，整流方案设计如表1所示。

图4 “V”形导流墩及其尺寸参数

Fig.4 "V" shaped diversion pier and its dimensional parameters

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表1 研究方案设计

Tab.1 Design of the research scheme

方案	导流墩A				导流墩B				备注
方案	X ₁	Y ₁	L ₁	θ ₁/（°）	X ₂	Y ₂	L ₂	θ ₂/（°）	备注
1	-	-	-	-	-	-	-	-	原方案
2	15D	0	2.25D	30.0	-	-	-	-	“V”形导流墩
3	20D	0	2.25D	30.0	-	-	-	-
4	20D	0	3D	45.0	-	-	-	-
5	15D	5D	3D	30.0	15D	5D	3D	30
6	15D	7.5D	3D	15.0	15D	7.5D	3D	15
7	20D	2.5D	3D	30.0	20D	2.5D	3D	30
8	20D	5D	3D	30.0	20D	5D	3D	30
9	15D	7.5D	3D	22.5	20D	5D	3D	30
10	15D	7.5D	3D	15.0	20D	5D	3D	30

3 计算结果分析

3.1 特征断面和评价指标

如图1所示，选择横断面1-1（Z=4D）为面层剖面，用以研究面层的流态；横断面2-2（Z=0.5D）为底层剖面，用以研究底层的流态；选择纵断面3-3（X=0）来研究进水池进口的轴向速度分布。以轴向速度分布均匀度V_au 来描述进水池进口断面轴向流速的均匀程度，计算公式^［11］如下：

V_{a u} = [1 - \frac{1}{V_{a}} \sqrt[]{\sum_{i = 1}^{n} (V_{a i} - V_{a})^{2} / n}] \times 100 %

（4）

式中：V_au 为轴向速度分布均匀度；V_ai 为断面各节点的轴向速度；V_a 为断面平均轴向速度；n为节点的数目。

3.2 无整流措施下的前池流态

原方案（方案1）下的前池面层、底层流态如图5（a）、图6（a）所示。由图可知，面层流态较为均匀平顺，底层水流通过坡降进入前池后在两侧产生大区域的回流，水流沿边壁碰撞后发生偏斜，导致1、3号机组前进水流态紊乱。不良进水流态不仅会影响水泵性能，而且会导致前池的局部淤积^［2］，因此前池底层流态是本次整流需重点研究的对象。图7为进水池进口断面3-3轴向速度分布的试验结果与数值模拟结果，数值模拟得到的结果与模型试验结果变化趋势基本一致，证明本次数值模拟结果可信。

图5 方案1~5面层流态

Fig.5 Surface flow pattern of schemes 1~5

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图6 方案1~5底层流态

Fig.6 Bottom flow pattern of schemes 1~5

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图7 进水池进口断面1-1轴向速度分布

Fig.7 Axial velocity distribution at the inlet section 1-1 of intake pool

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3.3 单个导流墩对前池流态的影响

比较图5、图6中放置单个“V”形导流墩的方案，仅在导流墩开口附近产生小范围漩涡，这是由“V”形导流墩的形状特点引起的，基本未对面层进水流态产生不利影响。导流墩距进水池为15D时的底层流态较距离20D时的流态好，因为距离较远时，扩散后的水流又撞击到不规则边壁形成回流，未起到整流效果。导流墩分叉角度为45°时，水流的扩散比开叉角度为30°时更为均匀，但1号机组前水流发生偏斜，并影响了2号机组的进水流态。相较于导流墩长度为2.25D，导流墩长度为3D时扩散效果更好，前池内产生的回流区域较小。

3.4 两个相同的导流墩对前池流态的影响

前池中的漩涡主要集中在底层两侧，设置单个导流墩不足以将其消除，因此设置两个“V”形导流墩方案。由图8、图9可知，导流墩距进水口20D时的前池流态比距进水口15D时好，距离较近时水流未能充分扩散。当两个导流墩距离2号机组中心线2.5D时，导流墩未对前池两侧漩涡起到实质的破坏作用，整流效果较差；距离2号机组中心线5D时，导流墩A对1号机组前的漩涡破坏作用较小，水流经过导流墩后继续碰撞边壁，1号机组的进水流态未得到改善，导流墩B有效地对3号机组前的漩涡起到了消除作用，使2、3号机组前的水流趋于平顺；距离2号机组中心线7.5D时，导流墩靠墙壁太近未对两侧回流区起到消除作用，在两导流墩中间形成新的漩涡，整流效果差。

图8 方案6~10面层流态

Fig.8 Surface flow patterns of schemes 6~10

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图9 方案6~10底层流态

Fig.9 Bottom flow patterns of schemes 6~10

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3.5 两个不同的导流墩对前池流态的影响

由图8（c）、图9（c）可知，导流墩B距进水池X ₂=20D，距2号机组中心线Y ₂=5D，分叉角度为30°时，2、3号机组进水流态较好，进水口前无漩涡，流线平顺，因此导流墩B的设计是合理的，只需对导流墩A重新设计。导流墩A距进水口15D时，虽然在前池中间形成了小范围回流区，但经过发展后消除，未对进水池流态造成不利影响，而且导流墩A分叉角度无论是15°还是22.5°，均有效对1号机组前的漩涡起到了破坏作用，分叉角度为15°时，水流更为平顺。

3.6 轴向速度分布均匀度

为定量地分析整流效果，以各机组进水池进口断面3-3的轴向速度分布均匀度作为评价指标。原方案（方案1）与导流墩方案进水池进口断面轴向速度分布均匀度的对比如图10所示，各机组进水池进口断面轴向速度分布均匀度如表2所示。比较原方案下的轴向速度分布均匀度，1、3号机组较低，分别为61.7%、65.6%，2号机组为79.8%。方案9、10对各机组整体轴向速度分布均匀度有明显提升，对1号机组分别提升2.8%、17.8%，对2号机组分别提升3.2%、2.7%，对3号机组分别提升13.7%、9.8%。综合以上方案，方案10对两侧机组整体的轴向速度分布均匀度提升最为明显，为最佳整流方案。如图11所示，方案10中1、3号机组前的回流区消除，进水流态更加均匀。方案10对其他工况的轴向速度分布均匀度也有所提升，只开1台机组时，2号机组轴向速度分布均匀度为75.5%，较原方案提升4.9%；开启2台机组时，2、3号机组轴向速度分布均匀度分别为78.9%、79.9%，较原方案分别提升5.1%、8.3%。

图10 各方案3-3断面轴向速度分布均匀度比较

Fig.10 Comparison of uniformity of axial velocity distribution on section 3-3 of each scheme

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表2 各方案3-3断面轴向速度分布均匀度 (%)

Tab.2 Uniformity of axial velocity distribution on section 3-3 of each scheme

方案	机组
方案	1号	2号	3号
1	61.7	79.8	65.6
2	68.7	80.3	64.6
3	69.0	76.4	65.6
4	50.0	66.9	67.6
5	77.8	67.0	59.1
6	34.4	70.1	83.0
7	39.3	69.3	62.8
8	59.1	59.4	64.5
9	64.5	83.0	79.3
10	79.5	82.5	75.2

图11 方案10前池行进流速变化示意图

Fig.11 Diagram of flow velocity variation of forebay of scheme 10

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3.7 “V”形导流墩整流机理

根据对以上研究方案的分析可知，“V”形导流墩能够显著改善前池中的大区域回流。如图11所示，当水流经过“V”形导流墩后，沿其两翼进行扩散，使流速分布趋于均匀，前池不良流态得以改善。尾后水流流速较低，在分叉口附近产生回旋，经发展后可消除，回旋范围大小与导流墩的长度、分叉角度有关，因此“V”形导流墩不宜距离进水池过近。

4 结语

（1）原方案中，泵站前池底层两侧存在大区域回流区，通过设置“V”形导流墩的尺寸参数对前池流态进行整流，“V”形导流墩能使水流沿其两翼重新扩散因而具有良好的分流作用。

（2）单个“V”形导流墩对前池流态改善的效果有限，1号机组前仍存在较大漩涡，且易导致2号机组进口轴向速度分布均匀度降低。

（3）两个“V”形导流墩中的方案10为最佳整流方案，对两侧机组进水流态有较大提升，各机组进口轴向速度分布均匀度分别提升17.8%、2.7%、9.8%。

（4）“V”形导流墩可有效消除前池中的大区域回流，在不规则的正向进水前池中得到较好的应用，研究结果为泵站前池改造提供了参考。 □

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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基金
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0 引言
1 数值模拟模型及计算方法
1.1 数学模型
1.2 计算域参数及网格划分
图1 计算域及其尺寸示意图
图2 局部网格划分及出水管边界层示意图
1.3 边界条件设置
1.4 网格无关性检验
图3 不同网格数量下的水力损失
2 研究方案
图4 “V”形导流墩及其尺寸参数
表1 研究方案设计
3 计算结果分析
3.1 特征断面和评价指标
3.2 无整流措施下的前池流态
图5 方案1~5面层流态
图6 方案1~5底层流态
图7 进水池进口断面1-1轴向速度分布
3.3 单个导流墩对前池流态的影响
3.4 两个相同的导流墩对前池流态的影响
图8 方案6~10面层流态
图9 方案6~10底层流态
3.5 两个不同的导流墩对前池流态的影响
3.6 轴向速度分布均匀度
图10 各方案3-3断面轴向速度分布均匀度比较
表2 各方案3-3断面轴向速度分布均匀度 (%)
图11 方案10前池行进流速变化示意图
3.7 “V”形导流墩整流机理
4 结语
参考文献

收稿日期	出版日期
2021-06-02	2022-03-15
发布日期
2022-05-26

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