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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,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,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,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,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??;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??紤]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。
參考文獻(xiàn)
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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