周龙才

泵站前池隔墩整流的数值分析

周龙才

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

泵站前池扩散角过大会在池中形成边侧回流，恶化水泵的进水条件，因此一般需要研究适当的整流措施。应用正交曲线坐标系下的二维水深平均数学模型，对大扩散角的正向泵站前池中设置隔墩前后的流态进行了数值模拟，以分析设置隔墩的整流效果。计算中在交错网格上对控制体积分得到离散方程，并用SIMPLEC算法求解。数值模拟表明，对所研究的泵站前池，适当设置隔墩对前池扩散角过大引起的不良流态有明显的改善效果。

泵站；前池；隔墩；流态改善；数值模拟

泵站前池是连接引渠和进水池，使水流均匀进入进水池的构筑物。工程中常有一些正向进水前池为缩短长度而采取较大的扩散角。然而，受水流固有扩散角的限制，前池扩散角过大会在池中形成边侧回流，不仅增大了能耗，还会恶化水泵的进水条件，致使水泵效率降低，甚至引起水泵汽蚀和机组振动［1］。因此，采用较大的前池扩散角时，常需要研究适当的整流措施。以前，这类研究主要依赖于模型试验，在许多大型泵站的设计、改造过程中，为获得良好的前池水流流态，常对前池的布置形式以及尺寸、整流措施、运行方案等进行物理模型试验［2，3］。而试验资料表明，在前池中加设隔墩（或导流墙），可以避免池中产生回流，从而可以加大扩散角，减小前池长度［4］。本文通过数值模拟前池中的二维流场来分析设置隔墩的整流效果。

1 数学模型

1.1 控制方程

前池内的水流运动是三维的，但大型泵站前池的平面尺寸一般比水深大许多倍，因此可采用沿水深平均的二维浅水方程来描述水流的运动规律。为使网格贴合边界，在此采用正交曲线坐标系下二维水流运动的水深平均方程［5］。

连续性方程：

ξ方向和η方向的动量方程：

式中：ξ，η为正交曲线坐标系中的2个正交曲线坐标；u，ν分别为ξ-η曲线坐标系下沿ξ方向和沿η方向的流速；H为水深；z为水位；n为糙率；Cξ，Cη为正交曲线坐标系中的拉梅系数，Fu，Fν为紊动粘性项。

1.2 方程的离散化方法

在交错网格上，采用迎风格式对关于u，ν的动量方程式（2）、（3）进行控制体积内的积分，最终可以得到［6］：

1.3 压力修正方程

设 u*，ν*，z*为原来的解，改进后的解为 u＝u*＋u′，ν＝ν*＋ν′，z＝z*＋z′，将其代入由动量离散方程式（4）、（5），可以得到：

式（4）、（5）、（6）组成关于 u，ν和 z（或 H）的离散方程组，采用SIMPLEC程式求解。而对具体的方程式（4）、（5）或（6）则采用 ADI方法求解［5］。

1.4 隔墩处理

为准确模拟隔墩的位置，计算中对隔墩附近进行了网格加密。对隔墩周围的计算点，为体现不同水位条件时边界位置的变化，采用了动边界技术［7］。

2 正向进水前池流态模拟

2.1 大扩散角前池的流态

泵站前池扩散角受水流固有扩散角的限制，不能太大，否则会在两侧产生脱壁回流，如图1所示，即为试验得到的过大扩散角前池内的水流流态［3］。

图1 过大扩散角前池中的回流（试验资料）Fig.1 Return flow in a for-bay with a large divergence angle（experimental data）

在此对如图2所示的某泵站前池进行数值模拟。泵站安装5台机组，前池扩散角α＝45°。计算中假定单泵运行流量不变，引渠未端水位不变。

图2 计算前池模型图Fig.2 The fore-bay model of calculation

图3 、图4是计算所得开5台机组时的前池流速矢量图和断面垂线平均流速分布图。比较图4与图1可以看出计算与试验所得的前池内的流态相当吻合。因扩散角过大而在两侧引起了较大的回流区。

2.2 加设中间隔墩的整流效果

首先，考虑在前池设置隔墩（或导流墙）。图5所示是在前池中部加设一段隔墩后计算所得的前池速度矢量图。与图4的流速场相比较，增加隔墩后两侧水泵的运行流态有明显的改善，但回流位置移至中部，中间水泵的进水条件变差。

图3 开5台机组时的流速矢量图Fig.3 The simulated velocity field with 5 pumps running

图4 开5台机组时的断面垂线平均流速Fig.4 The simulated vertical cross-section average velocities while 5 pumps running

图5 设中间隔墩后的速度矢量图（开5台机组）Fig.5 The simulated velocity field while 5 pumps running after setting separated pier in the middle of the fore-bay

2.3 加设八字形隔墩的整流效果

根据实际运行经验，对于完全对称布置且机组台数为奇数的泵站前池，在扩散角过大时可以考虑在两侧对称地布置隔墩进行整流［4］。经调算，在前池首部布置一段八字形隔墩以进行整流。图6是设置八字形隔墩后的运行5台水泵时的结果，流速横向分布比较均匀，池中不再产生回流，整流效果较好。

图6 设八字形隔墩后的速度矢量图（开5台机组）Fig.6 The simulated velocity field while 5 pumps running after setting separated piers

设置隔墩将对泵站各种开机状态下的前池流态产生影响。为进一步分析设置八字形隔墩的整流效果，模拟了不同开机方案下前池内的流场。计算表明，对该泵站前池，加设八字形隔墩后在不同开机方案下前池水流流态都很平顺，没有明显回流。

3 结 论

（1）大型泵站进水前池的平面尺寸一般远大于水深，为此应用正交曲线坐标系下的二维水深平均数学模型对其流场进行了数值模拟。计算表明前池扩散角过大时，水流从引渠直冲向进水池中部，在前池两侧产生回流。模拟所得的回流位置和形态与试验资料相吻合。

（2）通过对泵站进水前池加设隔墩后的流场模拟分析了加设隔墩的整流效果。计算表明对所研究的泵站前池，加设一段中间隔墩会导致中间水泵的进水条件变差；而设置八字形隔墩则有较好的整流作用，这一结论与已有的试验结论相吻合。

（3）虽然不同泵站前池的设计尺寸不同，但本文针对前池设置隔墩整流效果的定性分析对改善泵站的进水条件具有借鉴及指导作用，并对泵站前池的设计或改造都有重要的现实意义。

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［6］ 周龙才.泵系统水流运动的数值模拟［D］.武汉：武汉大学，2002.（ZHOU Long-cai.Numerical simulation of the fluid flow in pumping system［D］.Wuhan：Wuhan University，2002.（in Chinese））.

［7］ 周龙才，刘士和，刘光临，等.大型泵站引水河道流场的数值模拟［J］.武汉大学学报（工学版），2002，35（6）：16－19.（ZHOU Long-cai，LIU Shi-he，LIU Guang-lin，et al.Numerical simulation of flow field in diversion channel of large pumping station［J］.Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering，2002，35（6）：16－19.（in Chinese） ）

Numerical Analysis on Improvement of Flow Conditions in Fore-bay of Pumping Station by Setting Separation Piers

ZHOU Long-cai
（State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan 430072，China）

The measures of improving flow conditions should be adopt in the over large divergent angle of fore-bay of a pumping station to avoid the side return flow which would worsen the intake conditions of pumps.In the paper，the improvement of flow conditions in the front inflow of fore-bay of the pumping station with setting separation piers is researched by numerical simulation.The 2-D average water depth mathematical model in orthogonal curve-linear coordinate system is used for the numerical simulation.The discreted equations are obtained by finite volume method on staggered grid，and solved by SIMPLEC method.The simulated results show that，the splaying separation piers have good effect on improving the flow conditions in the researched fore-bay with large divergent angle.

pumping station；fore-bay；separation piers；improvement of flow conditions；numerical simulation

TV675

A

1001－5485（2010）02－0031－03

2009-01-12；

2009-03-24

周龙才（1972-），男，湖北随州人，副教授，主要从事泵站方面的教学与科研工作，（电话）13387516456（电子信箱）zlcgood＠126.com。

（编辑：周晓雁）