泵站前池倒T形底坎整流措施数值模拟

夏臣智　成立　焦伟轩　张帝

摘要：为了改善泵站前池边侧大面积回漩不良流态，基于商用CFD软件Fluent，运用NS方程和Reliable kε紊流模型对加倒T形底坎的前池进行数值模拟，分析倒T形底坎的几何参数对前池流态和边侧流速的影响。结果表明：无整流措施时，前池中流态紊乱，通过加设倒T形底坎可显著改善前池中的流态，提高边侧机组的流速，改善前池中流速分布均匀度；倒T形底坎设置在前池中的位置和其上部结构的尺寸对前池整流效果有明显的影响；倒T形底坎的位置距进水池入口75D，上部结构高为04H，宽为01B，前池中流态得到明显改善，边侧回漩范围减小。

关键词：前池；泵站；数值模拟；倒T形底坎；流态

中图分类号：TV131文献标志码：A文章编号：

16721683（2018）02014605

Abstract：

In order to rectify the bad flow pattern at the forebay of the pump station，in this paper we conducted numerical simulation of the forebay with inverted Tshaped sill based on the Fluent software using the NS equation and Reliable [WTB1X]k[WTBX]ε turbulence model，and analyzed the influence of the geometrical parameters of the sill on the flow pattern and lateral flow velocity at the forebay.The results showed that without the rectification measure，the flow pattern at the forebay was turbulent.Adding an inverted Tshaped sill could significantly increase the flow rate of the side unit and improve the uniformity of the velocity distribution at the forebay.The location parameter and superstructure size of the inverted Tshaped sill had significant influence on the flow pattern at the forebay.The recommended location of the inverted Tshaped sill is 75D to the entrance of the intake pool.The recommended superstructure is 0.4H high and 01B wide.

Key words：

forebay；pump station；numerical simulation；inverted Tshaped sill；flow pattern

前池是泵站建筑物中的一個重要组成部分，其设计的优劣关系到水流能否从引水渠平顺扩散到进水池。设计不当的前池中常存在大区域的回流，使得水泵的能量和汽蚀性能下降，严重时甚至会引起水泵汽蚀和振动，危害泵站安全。同时回流的存在会使得前池内有泥沙淤积的问题，进一步恶化进水条件[14]。

目前，国内外的学者对前池流态改善做了大量研究，整流措施主要包括增加前池长度、增大前池扩散角、设置底坎、立柱或压水板等[510]。冯旭松[11]通过试验分析了常规形式底坎的整流机理。成立[12]采用CFD软件从二维上分析了底坎整流机理。罗灿[13]采用CFD软件从三维分析了常规形式底坎的整流机理。已有的研究表明设置底坎对前池中的流态有明显的改善，但是未见通过底坎提高前池边侧的水流流速的研究成果。而有研究表明前池边侧流速过低，会极大地影响边侧机组的运行效率，并使得边侧发生泥沙淤积更加恶化边侧机组的进水流态[1420]。本文针对多机组泵站前池的扩散角过大，诱发大面积回漩不良流态，边侧机组的流速过低，研究了倒T形底坎几何参数对改善前池的水流流态和边侧机组的流速分布的影响。

1前池及倒T形底坎几何参数

本文研究进水正向扩散前池，其模型如图1所示，主要有涵洞、前池、进水池（1号-10号）和吸水管。

2数值计算方法及边界条件

泵站前池内流动为不可压缩湍流流动，该流动可用雷诺时均NS方程和连续性方程描述。由于前池内流动为强曲率流动，采用Reliable [WTB1X]k[WTBX]ε紊流模型要优于标准[WTB1X]k[WTBX]ε紊流模型[2123]。

本文基于商用软件Fluent，采用分离求解器求解离散方程组，采用SIMPLEC算法，求解精度为二阶。采用分块网格技术，对前池和涵洞采用六面体网格划分，对结构复杂的进水池采用四面体网格划分[2425]。通过网格无关性分析，当网格节点数量大于2×106时，计算结果趋于稳定。计算模型见图4。

取涵洞的入口侧为质量进口，流量为334 L/s。取出水管的出口侧为自由出流出口。固体壁面处设置为标准壁面函数，且无滑移条件（X、Y、Z方向上的分速度均为0）。自由表面设为对称边界条件。

3研究方案

本文研究了倒T形底坎几何参数对前池里水流改善，共8种方案。其中方案1为不加任何措施的方案，方案2、3和4分别研究倒T形底坎位置变化对前池进水流态影响。方案5、6、7和8分别研究倒T形底坎上部结构的顶宽和高度对前池进水流态影响。具体几何参数见表1。倒T形底坎的上部结构正对6号泵组。

4计算结果及分析

4.1方案[STBZ]1数模与试验对比

图5为方案1计算流线图。由图可见，无整流措施时，前池两侧存在两个大尺度的回流区，图中顺水流方向右侧回流区面积较左侧的回流区大，主流偏向图中前池的左侧，进水池流态紊乱，不仅影响进水池的进水流态，而且还容易造成前池内的泥沙淤积，严重影响泵站的运行效率。

4.2倒T形底坎几何参数对流态影响

图7-图13为倒T形底坎几何参数方案前池计算流线图。当在前池中加入倒底坎后，前池两侧的大尺度回流区的区域明显变小，且被限制到在底坎的前部。坎后至进水池前的流线较为平顺，无回流区的存在，进水池的进水流态得到很好地调整。

4.2.1倒T形底坎位置对流态改善影响

底坎距进水池的位置对底坎整流效果有重要的影响，方案2的底坎距离进水池较近（L=5D），坎后水流旋滚的区域比较小，水体能量得不到充分的交换，影响进水流态。方案4的底坎距离进水池较远（L=10D），坎前的回流区被限制在较小的区域中，使得水流越过底坎前具有较大的能量，坎后的漩滚区变长，水流中的能量未被充分的交换就进入进水池内，影响进水池内流态。设置合理位置的倒T形底坎后（方案3，L=10D），前池两侧回流区被限制到坎前，由于回流区变小，主流不再向前池的一侧偏斜。

4.2.2[JP3]倒T形底坎上部宽度对流态改善影响

研究表明，倒T形底坎的上部结构具有分流作用，方案5中的底坎上部结构过小（X=005B），分流作用不明显（图10），方案6中的底坎上部结构过大（X=015B），使得水流经过底坎时的过水断面变小，坎后的漩滚变强（图11），水力损失变大。当上部结构大小适中时（X=01B）即方案4，坎后漩滚能起到较好的分流和流态改善作用（图8）。

4.3倒T形底坎对站前行近流速影响

图14为方案1和方案3（优化方案）的10个机组在11断面上的行近流速分布比较。由图可知，方案1机组前行近流速分布呈锥形，中间机组流速高，两侧机组流速低，两侧机组（1号、2号、3号、8号、9号和10号）前的行近流速为负值，前池两侧进水流态较差。方案3为倒T形底坎措施整流优化方案，其行近流速分布较方案1均匀，方案3中间机组行近流速分布更为均匀，流态改善效果明显。

4.4倒T形底坎整流效果分析

综合上述各研究方案，当加入倒T形底坎后，底坎前的水流流速分布为中间大两侧小，水流流过倒T形底坎，在坎后形成漩滚，水流发生能量交换，同时受倒T形底坎上部结构的分流作用，在前池两侧的水流的流速变大，使得机组前的水流流速变得更加均匀，泵组进水池入流得到明显改善（图15）。

5结论

基于CFD技术，研究了倒T形底坎的位置和其上部结构的宽度及高度对前池流态的影响。

（1）倒T形底坎能改善大扩散角正向进水前池内水流流态，减少回流区的范围。

（2）倒T形底坎对前池两侧机组行近流速有明显的提高作用，有助于提高两侧机组的运行效率，减少前池两侧的泥沙淤积。

（3）倒T形底坎设置在前池中的位置和其上部结构的尺寸对前池整流效果有明显的影响。

（4）本文推荐倒T形底坎设置在前池中距进水池入口75D的位置，上部结构高度为04H，宽度为01B。

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