CFD|泵站前池仿真分析

摘要：

为明确西河泵站非对称机组运行时前池的流态特征，基于物理模型试验的方法对西河泵站的前池及进水流道进行整体物理模型试验，共获取4种不同开机方案时西河泵站前池的流场和速度分布规律，并采用计算流体动力学技术对最低水位时8台机组全开的方案进行数值分析。结果表明：在0.75负荷排涝时，非对称机组运行方案2的前池两侧有微弱旋流，开机方案3和开机方案4前池流态均平稳，开机方案3泵站进口断面的底流速分布均匀度为78.2%；推荐两侧边机组和中间机组各2台开机运行；在全负荷排涝流量且最低水位时，机组全开时两边机组流道进口的水力性能指标最低，在实际运行时应注意两侧边机组运行的安全稳定性。研究成果可为西河泵站的实际运行管理提供一定的参考。 

关键词：

西河泵站；前池；流态；开机方案；模型试验

    前池的流态对泵站机组的安全稳定运行具有直接影响，为此国内外学者针对泵站前池的流态开展了许多研究工作。当前有关前池流态的研究主要集中在国内，国内学者对前池的研究内容主要集中于前池的几何参数变化对其流场的影响[1-4]、前池流场的调控及整流措施的合理性研究[5-8]、前池流场的整流措施几何参数及布置方式的研究[9-13]、不同开机组合时前池的表面涡及水位的预测研究[14-17]、前池泥沙淤积的数值分析[18-21]等方面。当前国内学者[22-25]对前池流场的研究主要采用数值模拟，主要因物理模型试验耗费周期长且费用高，前池流态的物理模型试验均依托于具体泵站工程开展。多机组泵站在承担排涝任务时，内河水位与外河水位的变化关系致使泵站机组有时仅需部分开机即可满足特定排涝要求。当前多机组泵站的部分机组开机大多采用非对称开机方式，这易导致泵站前池流态出现非对称、偏折流动现象，进而对运行机组产生不利影响。为明确非对称开机时泵站前池流态的变化规律，以西河泵站为研究对象，探讨非对称运行时多机组泵站前池的流动特性。西河泵站工程位于广东省中山市，主要功能为排涝，设计排涝流量400m³/s（满负荷），同时兼顾反向应急补水，设计引水流量145m³/s，泵站安装8台叶轮直径3.90m的竖井贯流泵装置机组，单机流量50m³/s，配套电机功率2300kW，总装机容量18400kW。该泵站排涝流量和引水流量均很大，且引水工况为侧向进水，此时对泵站前池的水流条件提出了较高要求。若前池来流不均匀，出现偏流、折冲水流、回流及吸气旋涡等不良流态，会对西河泵站安全运行及运行效率造成不利影响。为了明确排涝时非对称开机方案时西河泵站引河及前池的流场分布特征及其对河道流场分布的影响，本文采用物理模型试验结合数值模拟的方法对西河泵站的前池的流态开展分析。

1.模型试验

    西河泵站的水工模型试验按重力相似准则设计成正态模型，即采用弗劳德数相似条件。此外，模型设计需满足流态相似要求，模型的水流是紊流，雷诺数大于临界雷诺数2000。其次，为避免水体表面张力作用的干扰，物理模型重点研究区域的水深需大于2.0cm。水位测量采用高精度的水位测针，精度可达到0.1 mm；面流速测量以XKVMS-02表面流场测量系统为主，底流速采用LS-8C八点光电流速仪，流速仪测量最小流速约为0.01m/s，测量最小水深约为0.02m，表面流场测量系统主要用于测量泵站前池、航道及引河段区域的表面流场分布，光电流速仪用于补充测量泵站进、出口断面的底流流速。考虑涡流流态在水工模型试验的“缩尺效应”更为显著，为保证安全，增大模型流量对有害旋涡的存在情况的测试。原模型的几何比尺为25、流速比尺为5、流量比尺为3125、糙率比尺为1.71，满足《水工（常规）模型试验规程》（SL155−2012）和《河工模型试验规程》（SL 99−2012）的要求。西河泵站前池流场的物理模型试验在广东省水利试验基地完成，泵站的水工建筑物采用杉木精制并对表面进行上蜡抛光处理，河道采用河沙塑造、水泥砂浆刮制。西河泵站流速测线的平面位置及物理模型见图1

测线CSV1~CSV6沿水流方向距泵房中心线的平面距离分别为1.143、0.786、0.357、0.321、0.750和1.500，测线CSV1与CSV6的相邻测点间距为0.161，测线CSV2、CSV3的相邻测点间距为0.065，测线CSV4和CSV5的相邻测点间距为0.129，其中为泵房长度，各测线位于距物理模型底面距离为1.0cm。图1中CSV1~CSV6分别为测线1~测线6

   依据西河泵站在汛期天气预报有暴雨时及汛期发生暴雨时西河水闸外水位的具体情况，确定不同的开机方案的组合和原型泵站排涝流量，具体见表1。4种不同开机方案时外江均为平潮，且内外江水位均为最低水位时进行流场测试。

2结果与分析

    西河泵站8台机组全开排涝时，泵站进出口表面流场分布及各测线的底流速见图2。

在内江引河段主流居中，主流区的面流速大部分在0.9~1.2m/s，泵站进口前，表面流速较小，在0~0.6m/s，沿断面分布较均匀；在泵站出水池以及外河段，主流居中，主流区的面流速大部分在0.9~1.2m/s，局部区域出现了更大的面流速，最大流速为1.44m/s，两岸斜坡处流速较小，基本在0.6m/s以下。在泵站测线CSV1~测线CSV3范围内，底流速沿该测线所在的断面分布较为均匀，流速值在0.52~0.68m/s；在泵站出口及下游测线CSV4~测线CSV6范围的底流速沿断面分布较为均匀，底流速范围分别在0.78~0.96、0.84~1.10和0.50~0.76 m/s。泵站上、下游引河段的流态均较为平顺，泵站进口处水面波动较小，在胸墙的阻水作用下水面存在沿断面分布均匀的弱回流，但未形成明显旋涡，相比泵站进口，出口处水面波动稍大，但水流仍然较为稳定平顺。

    最低运行水位的排涝工况时，开机方案2共6台机组运行，此时泵站进出口表面的流场分布见图3(a)。 

    如图3(a)所示，在内江引河段，主流居中，主流区的面流速大部分在0.6~1.0m/s；泵站进口前表面流速较小，在0~0.4 m/s，沿断面分布较均匀；在泵站出水池及外江引河段，主流居中，主流区面流速大部分在0.6~1.0m/s，局部范围出现更大的面流速，最大速度为1.32m/s，两岸斜坡处流速较小，在0~0.4m/s范围内。测线1~6的底流速见图3(b)和3(c)：在测线CSV1~CSV2的引河段范围内，底流速沿该测线所在的断面分布较为均匀，流速值在0.36~0.58m/s；泵站进口测线CSV3和出口测线CSV4的水流受1号和8号机组未开机的影响，两侧底流速明显小于中间的流速值，在1号机组和8号机组进口形成了微弱的回流区，但无有害的表面旋涡，1号机组和8号机组出口处有局部的滞流区，底流速最大值分别为0.36和0.87m/s；外江引河段测线CSV5~CSV6，中间底流速大于两侧，底流速分别在0.56~0.87和0.32~0.57m/s。

     开机方案3泵站进出口表面流场分布及各测线的底流速见图4

   排涝工况时，不同开机方案时泵站进口流态特征及测线CSV3的底流速度分布均匀度见表2。

    底流速度分布均匀度的计算方法参阅文献[10]。通过对开机方案2、3和4的表面流速测量和实际观测可知，开机方案2的前池两侧有微弱旋流，开机方案3和开机方案4前池流态均平稳，进口测线CSV3的底流速度分布均匀度均超过77%，其中开机方案3泵站进口测线CSV3的底流速分布均匀度最大为78.2%。在西河泵站排涝流量为300m³/s时，推荐开机方案3，即开机1号、2号、4号、5号、7号和8号共6台机组进行排涝。

    为进一步明确最低水位时8台机组全开时各运行机组进水流道进口面的水力性能指标，采用数值模拟的方法对开机方案1时8台机组全开时泵站前池内流场进行数值计算，前池流场计算基于大型商业软件midas NFX，三维模型构建基于大型商用建模软件INVENTOR，边界条件及收敛精度的设置参考文献[7，10]，则本次计算对象的进口设置为质量流，出口设置为压力，自由液面设置为对称壁面，计算精度设置为。为了分析网格数量对西河泵站前池流动计算结果的影响，采用6组不同网格数量方案分析网格数量无关性，以前池的水力损失为评价指标[5]，当水力损失变化不明显时，则表明该网格数量是合理的。

图6为不同网格数量时前池水力损失的变化曲线，当网格数量超过309万个时前池的水力损失无明显变化，相对误差控制在0.5%以内，满足文献[5]的数值计算精度要求，则本文数值计算的流体域网格共计309万个。三维模型及网格见图7。

    当8台机组全开时，各机组进水流道进口面的速度分布见图8

各机组进水流道隔墩两侧的速度分布并未完全一致，其中，边机组进水流道隔墩两侧的速度分布差异更为显著，中间机组的速度分布差异较小，表明8台机组全开时中间机组流道的入流条件优于两边机组，主要因为该泵站8台机组全开时中间机组的入流流态较好，在边机组的进水侧出现了小范围的弱回流，进而影响了边机组的入流速度分布。为进一步定量说明各机组进水流道的入流流速差异性，采用文献[26-28]中的轴向速度分布均匀度和速度加权平均角的计算方法进行分析，8台机组进水流道进口面隔墩两侧的水力性能参数见图9

中间机组和边机组进水流道隔墩两侧的轴向速度分布均匀度和速度加权平均角的均值存在一定的差异性，这与图8所给出的速度分布云图相一致，8台机组的轴向速度分布均匀度的均值为74.31%，速度加权平均角的均值为81.18°，两边机组1号和8号机组的进水流道进口面的轴向速度分布均匀度和速度加权平均角均较小，其中：1号机组流道进口面的轴向速度分布均匀度为72.5%，轴向速度分布均匀度低于均值1.81%，速度加权平均角为73.22°，速度加权平均角低于均值7.96°；8号机组流道进口面的轴向速度分布均匀度为74.5%，速度加权平均角为68.31°，速度加权平均角低于均值12.87°，这与数值计算和物理模型试验所获流场特征相一致，在最低水位工况运行时，应注意边机组运行的安全稳定性。

3.结 论

   以物理模型试验为主，辅以数值模拟的方法，对在最低运行水位时西河泵站机组满负荷和0.75倍负荷运行时各开机方案的前池流态及流道入流速度分布进行了定性和定量的分析，得到了以下结论： 

   西河泵站8台机组全开满负荷排涝且最低水位时，泵站进口前表面流速较小，泵站进口处水面波动较小，出口处水面波动稍大，8台机组进水流道轴向速度分布均匀度的均值为74.31%，速度加权平均角的均值为81.18°，两边机组进水流道的进口面水力性能指标最低，其运行的稳定性及耗能最大。

     在0.75倍排涝负荷时，通过物理模型分析了3种不同机组的开机方案，开机方案3（1号、2号、4号、5号、7号和 8号）时泵站进口流态平稳，无明显旋流，进口测线底流速分布均匀度为78.2%，高于开机方案2和开机方案4，在0.75倍排涝负荷时推荐开机方案3。

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