基于数值模拟的某弯道河段泵闸站进水流态改善措施

张新娇

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)

引渠、前池、进水池属于泵站进水建筑物[1]，建在泵站前部。进水建筑物的合理的设计可以为泵站提供良好的进水条件，提高泵站的运行效率和抗汽蚀性能[2]。规范[3]规定进水段的布置应尽量顺直，以保证进水流态稳定，水流顺畅，流速分布均匀，无旋涡也无回流，否则会影响泵站高效、稳定、安全运行，严重时甚至偏离设计工况，引起机组设备震动，影响建筑物安全稳定。

实际工程设计中往往受地形限制等因素导致闸站结合的排涝枢纽布置紧凑，尤其引渠段位于河道弯道段会导致排涝泵站运行时进水流态更加复杂，需要采取适当的整流措施进行改善。张松达等[4]提出调整前池底坡坡度消除前池横轴回流现象；杨明会等[5-7]提出在前池设置导流墩整流措施；李志祥等[8]提出在前池设置底坎整流措施，并进行参数优化设计；赵智磊等[9]提出调整泵站进水河道中心线和泵站进水池中心轴线的不同夹角优化流态；朱伟军[10]提出在前池设置立柱改善前池水流形态。本文在前人研究的基础上，基于数值模拟计算提出某弯道河段泵闸站进水流态改善措施。

1 工程概况

某排涝项目受限于周边现状高速公路、拟建铁路、填海工程及海岸线限制，排涝泵站与自排闸共同组成的排涝枢纽布置在河道北出口河道弯道处，且泵站前池距离上游高速桥墩约12～48m。根据水闸水力条件，水闸布置在北侧，泵站布置在南侧，水闸和泵站并列布置，总布置宽度约140m，泵站布置宽度50m，水闸布置约73m，中间设置17m宽导流岛。枢纽总平面布置如图1所示。

为了分析位于河道弯段排涝泵站进水流场流态，了解不同运行水位、流量条件下的水流运动特性以及泵站运行时对上游高速桥墩的影响，为工程设计提供技术参考依据，对排涝枢纽泵站工程进行数值模型计算研究。

2 数值模型及计算方法

2.1 计算区域及几何建模

排涝泵站设计排涝流量为117.0m3/s，选用4台竖井贯流泵。泵站前池采用正向进水形式，总长20.5m，底板高程由-2.0m采用1∶4斜坡降低至-6.625m；进水池长15.0m，底板高程为-6.625m；拦污栅及进口闸段总长30.0m，底板高程为-6.125m；泵房段总长约33.1m。

本次计算所采用的软件为ANSYS Fluent 19.1，采用80线程并行设置。计算区域及模型如图2所示。根据工程情况，进行仿真计算。计算区域总长460m，宽194m。入口由干流和支流组成，干流和支流的流量分流比分别为0.813和0.187。出口由4台水泵组成，分别记为1#、2#、3#、4#。外环高速段桥墩位于模型中间位置，分别命名为1—16。主、支流入口及水泵流道出口位置分别设置为质量流量入口(mass-flow-inlet)和质量流量出口(mass-flow-outlet)。

图2 计算区域及模型

2.2 网格参数及无关性验证

为保证数值计算准确性，对计算区域进行了混合网格的划分和网格无关性验证，详见表1，如图3所示。

表1 网格参数及无关性验证

图3 计算区域网格划分

由表1知，当Cell数量由170101增加至340232时，四号桥墩的压强由5.01Pa增加至7.53Pa，差异较大；当Cell数量继续增加至721523时，桥墩压强为7.46Pa，与Cell数量为340232时没有明显差异。说明当Cell数量增加至340232以上时，计算结果将不随网格数量发生变化，即网格无关。为了在保证计算准确度的同时提高计算效率，本次计算采用Cell数量为340232的网格生成方案，最终的网格质量为Minimum Orthogonal Quality=2.72470×10-1。

2.3 求解设置

具体求解设置及收敛残差曲线见表2，如图4所示。

图4 收敛残差曲线

3 计算工况及模拟结果

3.1 计算工况

针对排涝工况下不同单机流量及不同运行数进行工况组合，见表3。

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表3 模拟运行工况

3.2 模型计算及分析

3.2.1上游高速桥墩计算结果及分析

经计算，在所有工况下均是外环高速段4号桥墩所受的流体冲击力最大，见表4。

表4 4号桥墩所受冲击力、压强及附近流速状态

对比所有工况，最大流体冲击力发生在0.40m水位4泵全开时，此时流体冲击合力为2251.61N，4表面最大压强为0.0528kPa(相对压强)，附近流速最大为0.75m/s。高速桥墩处河道护底为干砌石护底，不冲流速为4m/s，满足抗冲刷要求。因此，泵站运行时不会对高速桥墩造成较大影响。

3.2.2前池、进水池计算结果及分析

基于不同工况进行数值模型，并基于结果对泵站进水池、前池的流动状态分析，见表5。

表5 不同工况下进水池、前池流动参数统计

高水位大流量工况下进水段流场流态如图5所示。

图5 高水位大流量工况下进水段流场流态图

4 优化方案分析

4.1 优化方案拟定

为评估估导流墩对流场的影响作用，本文针对2种不同的边界条件进行了仿真计算，分别为质量流量出口(出口流量相等)和压力出口(出口静压为0)，计算结果如图6—7所示。

图6 1.65m-4泵全开工况下出口流量相等时流场及出口附近压力、速度云图

根据图6，流态由导流墩的形状、位置以及抽水泵的吸水作用共同决定，此时流场中可观察到明显的旋涡出现。在此状态下虽然每个出口的流量相等，但存在较大的压力差异，进而影响水泵的工作状态。

根据图7，流态仅由导流墩的形状和位置决定。此时流场中没有明显的旋涡出现，但大部分流体都由3#和4#出口流出。即导流墩的位置对泵站区域的流态产生较大影响，导致自然状态下水流体分布不均。

图7 1.65m-4泵全开工况下出口静压为0时流场及出口附近压力、速度云图

通过分析导流墩后的旋涡形成特点，本文提供2种泵站区域流态优化方案：①通过改变导流墩的设计位置使其前移，将泵站沿程增长以使流体充分发展，进而消除或抑制旋涡的产生；②将分流墩长度延长至旋涡产生的核心区域，同时将河道左岸位于外环高速处弯折段岸线设计得较为顺直，通过改变流道几何形状的方式直接干涉旋涡的形成。

4.2 优化方案数模验证

4.2.1前移导流墩方案

不同导流墩前移方案下泵站区域的流态如图8所示。

图8 不同导流墩前移方案下泵站区域的流态

随着导流墩位置的前移，区域内的旋涡逐渐减弱，说明导流墩的位置对于旋涡的抑制有重要意义。

4.2.2增长分流墩长度，且顺直岸线

该方案计算结果如图9所示。

图9 不同分流墩长度及不同岸线弯曲度下流场分布情况

分流墩位于初始位置时，流场中可观察到明显的旋涡出现；单纯将分流墩向上游前移10m，虽然不能完全消除旋涡，但相比初始位置有较好的抑制作用；将分流墩向上游前移10m，同时结合左岸岸线的顺直变更，可观察到流场中旋涡已完全消失。

5 结语

本文以河流弯道段排涝枢纽为研究对象，对不同排涝工况进行了数值模拟和计算，得出以下结论。

(1)所有工况下，对上游高速桥墩最大流体冲击力发生在0.40m水位4泵全开时，距离前池最近的四号桥墩表面压强最大，最大流速满足抗冲刷要求，不会对外环高速桥墩造成较大影响。

(2)优化前，各种抽排工况下导流堤后均存在漩涡，流速分布不均。

(3)为了抑制旋涡的产生，提出了2个优化方案，即导流墩位置前移和延长分流墩位置至旋涡产生核心区同时顺直左岸岸线，均有效抑制或消除了旋涡，可根据工程实际可操作性，选择适合的方案。