江文　于建忠　傅宗甫　谭箐　陈月君

摘 要：为改善弯道水流在泵站前池引起的偏流、回流、吸气旋涡等不良流态，基于FLUENT软件，将雷诺时均N-S方程与RNC k-8双方程紊流模型应用于某实际工程侧向进水泵站前池的三维数值模拟中，对比分析整流前后泵站前池及进水流道流态的流速、流线变化，并建立流速分布均匀度目标函数，定量分析泵站进水流态的优劣。结果表明：在前池增设复合式导流墩并延长导流墙能够有效地调整弯道水流流向，减弱前池中的偏流和回流，提高水流的顺直度与均匀度，改善泵站进水条件，提高枢纽运行的工作效率。

关键词：泵站;弯道水流;侧向进水;三维数值模拟：整流措施;流态

中图分类号：TV61

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2019.04.018

当不对称闸站枢纽布置在弯道河段时，泵站为侧向进水，此时不对称水流及弯道水流的运动特性导致泵站前池易产生回流、横向水流、旋涡等一系列不良流态。研究表明[1]，前池的不良流态会对泵站水力机组的运行产生极为不利的影响，致使水泵效率降低，严重时会造成机组振动，威胁枢纽安全运行。针对泵站前池流场特性，邢英薇[2]采用水深平均的二维水流方程对非对称水流进行了计算，但不能很好地反映水流的三维特性：王芳芳等[3]采用RNG k-ε双方程紊流模型封闭雷诺时均N-S方程对泵站前池流场进行了三维数值模拟，发现流速不均匀分布会导致不良流态的产生。为获得良好的进水条件，严忠民等[4]通过分析多座闸站合建工程物理模型试验成果，提出在泵站前池设置导流墩可以有效改善回流、螺旋流等不良流态。此外，有关学者还研究了底坎[5]、压水板[6]、立柱[7]等不同流态改善措施，导流墩因改善流态效果好而被广泛应用[8]。然而，已有研究主要集中在上游为顺直河道的泵站，且主要分析了工程中典型“川”字形导流墩的整流效果，并未涉及复合式导流墩。随着CFD的发展，越来越多的学者应用数值模拟方法对泵站进水流态进行研究[9]。笔者以上游为弯道河段的某侧向进水闸站枢纽为研究对象，基于FLUENT软件，利用三维紊流数值模型，分析侧向进水泵站前池的流态及其成因，并采用复合式导流墩探究适用于该类工程的整流措施。

1 泵站水动力数学模型的建立

1.1 控制方程

泵站前池的水流流动属于复杂的三维流动，可以采用雷诺时均方程来描述，在笛卡儿坐标系下三维不可压缩流体的控制方程如下。

连续方程表达式为

1.3 计算区域及网格划分

该枢纽上游为一弯道，枢纽中心线与弯道上游河道中心线夹角为530。闸站枢纽为不对称布置，南侧为一孔通航节制闸，西北侧为一支流，北侧为三孔排水泵站（顺水流从左到右依次为1#、2#、3#），单泵设计流量为23.4 m3/s，取设计运行水位进行计算，即进水前池水位为3.55 m.运行时三泵全开。枢纽布置如图1所示，坐标原点位于泵站进水口门处，泵站出口水流沿x轴负向流动，y轴垂直于泵站出口水流方向，沿重力方向为z轴负向。模型计算区域取泵站前池彎道以上100 m，西侧支流长100 m，泵站出水侧按照进水流道的断面进行延伸处理，延伸至90 m，节制闸处于关闭状态。利用ICEM软件对计算区域进行结构网格划分，网格数量100万左右，模型计算区域及局部网格剖分见图2。

1.4 数值方法和边界条件

采用有限体积法得出离散方程，选用SIMPLEC算法进行计算。边界条件：①进口，进口位置有两个，一个为弯道主流进口，采用压力出流边界，另一个为西北向的支流进口，设置为速度人口边界：②出口，采用速度边界，给定负向流速;③自由液面，泵站前池自由水面波动较小，采用刚盖假定方法处理;④边壁，采用壁面函数法进行处理。模型边界示意见图3。

2 整流前泵站前池模拟结果与分析

支流流速很小，进入前池时受弯道来流压迫，对泵站前池流态的影响可忽略不计，前池流态主要受弯道来流影响。图4为无整流措施条件下的泵站前池流速等值线分布，可以看出主流进入前池后，表层流动惯性较大，水流不易转向，导致主流偏向右岸，单侧流量集中，在3#水泵进水口门前产生明显偏流，右岸流速范围集中在1.1 - 1.3 m/s，而左岸流速范围集中在0.1-0.3 m/s。图5显示前池存在两处回流区，一处位于2#水泵进水口门前，尺度较小，最大宽度约3m、长度约16 m;另一处较大尺度的回流区位于左岸1#泵站进水口门前，最大宽度约6m、长23 m，从前池进口一直延伸至泵站进水口门。以上不良流态导致前池整体流速分布不均，易诱发水泵汽蚀和振动，致使机组运行效率下降，甚至无法工作。

前池流速分布均匀度直接决定了前池流态的优劣，引入法向流速均匀度V-定量分析前池流态，计算前池底、中、表层法向流速分布的均匀程度，计算公

流速均匀度数值越接近100%.表示前池水流流速分布越均匀，流态越好。

提取泵站进水口门前x=3 m处的横断面B（见图6）底、中、表层法向流速，计算得到底、中、表层流速均匀度分别为3l.9%、33.6%、16.7%，可知前池流速整体均匀度较低，表层流态尤其需要改善。

3 泵站前池整流措施

3.1“川”字形导流墩整流措施

3.1.1 布置形式

导流墩是工程上常用的一种导流建筑物，当来流有明显的主流方向时，常将其沿水流纵向布置，引导水流逐渐转向泵站前池，均化水流。经过多种方案比选，这里采用工程中常用的典型“川”字形导流墩，将其布置在前池进口处，导流墩为矩形，每个墩长4m、宽0.5m，具体布置如图7所示。

3.1.2 前池模拟结果与分析

图8为采用“川”字形导流墩后前池流速分布情况，可以看出水流经过导流墩的调整后，在其后侧产生一小范围回流，消减了水流的一部分能量，水流得以更为平顺地进入前池，右岸流速分布趋于均匀，流速范围集中在0.8-1.1 m/s。图9为整流后前池表层流速及流线分布，可以看出，前池回流现象得到改善，位于2#水泵进水口门前的回流区消失，但左岸1#水泵进水口门前仍存在一较大范围的回流区，宽度约5m，长度为前池进口至泵站进水口门，同时右岸3#水泵前的偏流现象并未见调整，斜向进流状况依旧严重。

提取整流后断面B的底、中、表层法向流速计算均匀度，见表1。通过对比整流前、后均匀度发现，采用“川”字形导流墩整流措施后，表层流速均匀度提高了57%.中层与底层流速均匀度仅略有改善，总体而言，整流后泵站前池的流速分布均匀度变化不大，改善效果不理想。

3.2 复合式导流墩结合延长导流墙整流措施

在泵站前池布置典形的“川”字形导流墩能够调整弯道来流方向，使前池水流流速分布趋于均匀，但总体均匀度提高较小，改善效果不佳，并且无法解决前池回流偏流的问题，未能使前池水流达到理想状态。在“川”字形导流墩的基础上，将矩形导流墩的头部改为圆弧曲线，组成由直线段加曲线段的复合式导流墩，直线段长4m.圆弧半径为0.25 m，布置在前池进口处，如图10所示。傅宗甫等[10]研究表明，闸站结合部导流墙的长度对回流有很大的影响，在一定范围内，回流区随导流墙长度的增大而逐渐减小，故将导流墙的长度向上游延伸6m，辅助消除不良流态。

图11为整流后泵站前池流速分布，由于导流墩头部为圆弧曲线，不仅起到引导水流转向的作用，而且给水流提供了一个作用在导流墩侧绕流的向心力，形成向心加速度，因此产生了一个向内旋转的回流，有效地消耗了来流的一部分能量，减小流速，使水流能够更加平缓地进入前池。左岸的水流遇到导流墩后，提前转向进入前池，回流区得到来流的补充，范围缩小，结合延长导流墙的作用.1#水泵进水口门前的回流区基本消失。右岸水流依靠导流墩后产生的回流，流向得到了很好调整，偏流现象得到明显改善.3#水泵进水口门前斜向进流情况基本消失：同时，水流流经导流墩后消耗了一部分能量，进入前池后的整体流速相比整流前小，大部分区域流速集中在0.7 -1.1m/s。从图12可以看出，整流后前池流线均匀平顺，不存在明显的回流与偏流，进水流态良好。

对比整流前、后断面B的底、中、表层法向流速均匀度（见表2）可见，整流后前池水流重新调整，前池底、中、表层流速均匀度都有了明显提高，尤其是表层流速提高较多，泵站进水条件有了较大改善。

4 泵站来流条件分析

为了比较前池流态对泵站进水流道的影响，取泵站进水口门后2m断面C（见图13），分析各流道的速度等值线分布，同时计算各流道的法向流速均匀度。

图14为整流前、后泵站各流道法向流速等值线分布，可知整流前大部分区域流速集中在-1.0 - -0.2m/s，整流后集中在-0.9 -0.6 m/s，断面整体流速减小。整流前1#与3#流道主流偏向右侧，整流后主流居中，偏流现象得到明显改善。对比整流前、后的法向流速均匀度（见表3）可知，整流后1#与2#流道法向流速均匀度均提高了20%以上。总体上，采用复合式导流墩措施整流后泵站进水条件得到极大地改善，水泵进水流态良好，能够满足枢纽高效运行的要求。

5 结论

（1）布置于弯道河段的闸站枢纽，由于弯道水流的流动特性，水流进入前池后未能及时转向，因此泵站前池出现严重偏流和大尺度回流，前池及泵站流道水流流速分布不均匀，泵站进水条件恶劣，不利于泵站的安全运行。

（2）利用数值模拟软件，初步模拟了弯道河段泵站前池的水流流态，并采用工程中常用的“川”字形导流墩与新型复合式导流墩改善流态，通过对比整流前后进水前池的流态、流速、流线，定量分析了前池和泵站水流流速的均匀度，初步验证了复合式导流墩整流措施能够有效地消除弯道河段泵站前池内的回流、偏流等不良流态，提高流速分布均匀程度，保证泵站进水水流平顺，流态良好，可为类似工程提供参考。

（3）复合式导流墩整流措施的应用仅停留在数值模拟的基础上，并未采用物理模型的方法进行分析，在未来的工作中仍需进一步探究。

参考文献：

[1] 田家山，给、排水泵站进水流态紊乱的危害与对策[J].河海大学学报，1988，16（2）：10-19.

[2]邢英薇，不对称水流的数值模拟与试验研究[J].人民珠江，2002，23（5）：10-12.

[3]王芳芳，吴时强，肖潇，等，三维数值模拟在泵站侧向进水前池的应用[J].水利水运工程学报，2014（2）：54-59.

[4] 严忠民，周春天，阎文立，等，平原水闸泵站枢纽布置与整流措施研究[J].河海大学学报，2000，28（2）：50-53.

[5] 罗灿，刘超，多机组泵站侧向进水特性模拟和改进研究[J].水力发电学报，2015，34（1）：207-214.

[6] 洪磊，周春天，王曉升，等，城市排水泵站前池压水板的整流效果[J].江苏农业科学，2013，41（5）：357-360.

[7]夏臣智，成立，赵国锋，等，泵站前池单排方柱整流措施数值模拟[J].水利水电科技进展，2017，37（4）：53-58.

[8] 资丹，王福军，姚志峰，等，大型泵站进水流场组合式导流墩整流效果分析[J].农业工程学报，2015，31（16）：71-77.

[9] 徐辉，张林，侧向进水泵站前池整流技术研究综述[J].水利水电科技进展，2008，28（6）：84-88.

[10]傅宗甫，顾美娟，严忠民，闸站合建枢纽导流墙体型及适宜长度[J].水利水电技术，2011，42（ 10）：128-131.