多机组泵站复合前池整流优化分析

2018-03-29顾春雨杨晓红吴东恒

水利技术监督 2018年1期

顾春雨，杨晓红，周杨，吴东恒

(1.江阴市水利工程公司，江苏江阴 214431；2.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏江阴 214431)

多机组泵站复合进水前池集中了正向、侧向前池的优缺点，水流流动状况不佳，流态紊乱，存在着大尺度回流区、大曲率弯曲流动等不良水力现象，造成水泵机组效率低下，机组振动明显[1- 5]。对于多机组泵站复合进水前池水流流动研究，有关学者通过CFD数值模拟及水工模型试验指出，复合前池方案设计不合理会出现大范围回流区，在站前形成强烈的横向流，整流方案采用扩大、延伸隔离岛、设置底坎及缩小水流平面流场，取得了良好的水流流态[6]。对于多机组泵站进水前池水力设计需要通过CFD数值模拟研究及水工模型试验相结合，前期水力优化可通过CFD数值模拟[7- 10]，当最后方案水流流态良好时可通过水工模型试验验证。

1 工程案例

某泵站工程，两座泵房，每座泵房10台机组，共20台机组。水泵型号为36ZL- 125，单机流量2.0m3/s，总流量40m3/s。由于站址选择及规划要求，进水前池设计成复合前池，泵房1正向进水，泵房2侧向进水。复合进水前池底高程为0.00m，设计水位4.62m。复合进水前池布置图如图1所示。

图1 复合前池布置图

2 三维数学模型

在UG NX中通过草图功能按照图1复合前池平面图建立草图，取设计水位深度拉伸成三维模型，再按照边坡比例修剪建立复合前池三维模型。按以上方法建立进水池，各复制10台机组建立泵房1与泵房2。复合前池水力优化时，通过CFD数值模拟计算成果，在草图中选择合理的平面。原设计复合前池三维模型如图2所示。

图2 复合前池三维数学模型图

3 水力优化原则

水流流动往往带有复杂的水力现象，并呈现独特的三维水力特性，目前并无系统的优化方法。根据经验，一般选择几何参数与流动参数进行水力优化。对于流动参数水力优化，一般会根据经验与半经验公式，例如叶栅理论在水力机械水泵流量～效率曲线等参数的应用；几何参数水力优化可以根据某一流动现象，如泵站进水前池水流流态，根据流态好坏及流动走势调整几何参数。本文根据原设计多机组泵站复合进水前池水流流动走势调整前池平面几何形状进行水流整流，力求减少土方开挖量、降低工程造价并获得更佳水流流态。

4 控制方程与边界条件

控制方程采用三维雷诺时均N-S方程来描述该泵站复合前池不可压缩湍流流动，方程式如下。

雷诺时均N-S方程：

边界条件设置：采用Realizable(可实现)k-ε模型，一阶迎风格式；进口设置为速度进口；出口设置为outflow(自由出流)；水流与空气接触面设置为symmetry(对称)；所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为5×10-4。

5 计算分析与方案优选

5.1 原设计方案

在设计水位下，图3(a)反映了该泵站复合进水前池一部分水流分流至泵房1机组，沿涵洞圆弧段大曲率弯曲流动，在泵房1机组左侧区域形成大尺度回流区；另一部分水流未表现出正向流动特点，在泵房2机组前方中间侧形成大尺度回流区；原设计方案复合前池的水流流态紊乱，大尺度回流区易泥沙沉淀淤积，更不利于水泵机组运行。

图3(b)反映了水流流向泵房1机组水流主流弯曲流动，两侧区域为低速区，其中左侧区域回流速度超过0.3m/s；流向泵房1机组水流偏向岸墙侧，中间区域大范围低速区，这严重影响机组运行。

图3 原设计方案复合前池云图

5.2 方案2

根据图1计算成果可知，原方案泵房2侧存在大回流区。为消除原方案大回流区等不良流态，在原方案基础上去掉泵房2侧边坡，改用直立挡墙以圆弧段相切过度圆滑连接。与原方案相比较，方案二节省了土方开挖。如图4所示。

图5是方案二复合前池水流流态示意图。复合前池泵房2侧以直立墙圆弧段相切过度圆滑连接后，大回流区已经消失，仅有一个较小的回流区在圆弧段，整流效果较为明显；泵房一侧中间区域仍有较大回流区并未得到改善。

图4 方案二复合前池草图

图5 方案二复合前池水流流态

5.3 方案3

方案三在方案二基础上去掉进水口涵洞。涵洞对进水口来流分隔成三股水流。三股水流未交汇区易形成回流与低速区，影响泵站进水池进水条件。根据以往工程案例及工程经验，涵洞分隔三股来流水流，成为该泵站复合前池不良水流流态的重要因素。如图6所示。

去掉涵洞后，泵房2左侧圆弧段回流区已消失，泵房1前方区域大回流区消失，仅在泵房1、2连接段有个较小的回流区。去掉涵洞后，该泵站复合前池水流流态得到重大改善，回流基本消失，仅在泵房1进水池存在较强的横向流，这主要是因为泵房1侧主流偏流偏向岸墙侧；泵房2侧水流弯曲流动但在泵房2进水池前未形成横向流。如图7所示。

图6 方案三复合前池草图

图7 方案三复合前池水流流态

5.4 方案4

在方案三基础上移动进水口向左10m，将进水口位于整个流动区域中间侧；为减小泵房2侧弯曲流动曲率，改用三段圆弧连接；同时泵房1侧斜直立墙向右前方靠近，如图8所示。

计算结果表明，方案四复合前池流动区域内已不存在回流区等不良流态，达到了水流整流的初步目的，但泵房1、2进水池进水水流存在横向流且泵房1进水池水流横向流较为强烈；水流流速小于0.1m/s的低速区域有所扩大；泵房1、2进水池内水泵机组进水前方都存在小回流，这对水泵机组影响较大。如图9所示。

图8 方案四复合前池草图

图9 方案四复合前池水流流态

5.5 方案分析比较

综上所述，原设计方案复合前池的水流流态紊乱，存在大尺度回流；方案2复合前池泵房两侧以直立墙圆弧段相切过度圆滑连接后，大回流区已经消失，仅有一个较小的回流区在圆弧段，整流效果较为明显；方案三、方案四复合前池水流流态较为平顺，达到了水流整流的初步目的，对于进水池前方的横向流却没有有效改善，且方案四复合前池横向流有所加强，这表明仅仅依据水流流势整流流态虽能得到很大改善但仍不够理想，需要应用隔离岛、底坎等整流措施。