侧向进水泵站前池整流三维数值计算

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1、灌溉排水学报２０１５年１０月第３４卷第１０期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）１０－００５２－０４侧向进水泵站前池整流三维数值计算周济人，仲召伟，梁金栋，施晓欢（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州２２５００９）摘要：为了改善侧向进水泵站前池流态，应用ＣＦＸ软件，基于Ｎ～Ｓ方程和标准ｋ～ε湍流模型，对某侧向进水泵站前池进行了无整流措施和多种整流措施的数值计算。结果表明，无整流措施时，前池内存在大范围回流区，水流斜向进入进水池，在隔墩附近形成漩涡；加设“Ｙ”型导流墩，主流被分成２部分，流速分布趋于合理，进水

2、角度得到调整；加设底坎后，翼墙前端回流消失，坎后出现横向水流和竖向漩涡，水流结构发生改变；加设导流墙后，回流区对主流的干扰减弱，水流均匀平顺进入进水池，是一种理想的整流方案。数值计算结果与模型试验结果基本一致。关键词：侧向进水；前池；流态；数值模拟中图分类号：ＴＶ１３１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．１０．０１１周济人，仲召伟，梁金栋，等．侧向进水泵站前池整流三维数值计算［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１５，３４（１０）：５２－５５．０引言泵站进水形式可分为正向进水和侧向进水２种，正向进水前池水流与进水池水流方向一致，水流逐步扩散、流态平

3、顺且形式简单、施工方便，应优先采用；但受来流条件、实际地形等客观因素的限制，有时不得不采［１］［１－３］用侧向进水的布置形式。侧向进水前池普遍存在进水流场紊乱、回流、泥沙淤积、边坡冲刷等问题，需采取适当措施，以改善流态。徐州某泵站受地形条件限制，采用侧向进水，选用４台９００ＺＬＢ－７０轴流泵，设计流量１０ｍ３／ｓ，进水池设计水位▽３４ｍ。为确保该工程具有良好的进水流态，开展了该泵站前池的模型试验研究。在模型试验基础上，应用ＣＦＸ软件，基于Ｎ～Ｓ方程和标准ｋ～ε湍流模型，对该站前池流场（含整流措施）进行了三维数值计算，分析各措施的整流特点，为改善侧向进水泵站前池流态提供一定参

4、考。１三维数值计算模型１．１控制方程河道内的流动可视为三维不可压缩黏性湍流，采用定常流动计算，不考虑流动随时间的变化，其控制运［４］动方程包括连续性方程、动量方程以及ｋ～ε模型中的ｋ方程和ε方程。ｕνｗ连续性方程：＋＋＝０，（１）ｘｙｚ动量方程：ｕｊｕｉ＝ｇｉ－１Ｐ＋（ν＋ν）ｕｉ＋ｕｊ，（２）ｔｘｊρｘｉｘｊ［（ｘｊｘｉ）］（ｕｉｋ）ｕｔｋｕｉｕｉｕｊｋ方程：ρ＝ｕ＋＋μｔ＋－ρε，（３）ｘｉｘｊ［（σｋ）ｘｊ］ｘｊ（ｘｊｘｉ）２（ｕｉε）ｕ＋ｕｔεεｕｉｕｊρε，（４）ε方程：ρ＝＋Ｃ１εμｔ＋－Ｃ２ε

5、ｘｉｘｊ［（σε）ｘｊ］ｋ（ｘｊｘｉ）ｋ式中：ｕｉ（ｉ＝１，２，３）分别为ｘ，ｙ，ｚ方向的速度分量；Ｐ为流体压力；ν为水的运动黏度系数；νｔ为紊动黏度系收稿日期：２０１５－０４－２０基金项目：国家“十二五”农村领域科技计划项目（２０１２ＢＡＤ０８Ｂ０３－２）作者简介：周济人（１９６５－），男。副教授，主要从事跨流域调水及泵站工程研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｉｒ＠ｙｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ５２２ｋ数，νｔ＝Ｃμ，Ｃμ取０．０９；σｋ、σε分别为ｋ方程和ε方程的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数，取１．０、１．３；Ｃ１ε、Ｃ２ε为模型常数，分ε别取１．４４、１．９２。１．２计算区域及网格

6、数值计算区域包括引河、前池、进水池及各台水泵的出水管（图１）。将计算域进口位置取在引河处，出口取在出水管段，为减小边界条件对计算的影响，将进、出口位置作适当延伸。图１中Ｙ方向为河道水流方向，以主流运动方向为正；Ｘ方向为宽度方向，以泵房方向为正；Ｚ方向为铅直方向，以向上为正。图１计算域坐标系根据模型的复杂性和几何特征，考虑到前池翼墙附近结构不规则，故采用混合网格对实体剖分。普通区域采用结构化网格，复杂区域则采用非结构化网格，分块剖分，局部加密处理，网格节点总数为９２万左右（不同方案下略有差别），整体网格质量较好，达到计算要求。１．３边界条件及离散方法数值计算的边界条件为：①进

7、口边界：引河进水处采用速度进口边界条件，速度为０．０８ｍ／ｓ，指定中等紊流强度Ｔｕ＝５％。进口速度由流量除以面积求得，计算采用的流量与模型试验一致；②出口边界：出口设置在出水管内流动充分发展段，采用压力出口边界条件，压力值为１ａｔｍ；③自由水面：前池水位变化幅度不［５］大，符合“刚盖”假定，采用对称面边界条件处理；④固体壁面：采用壁面函数法处理。离散方法包括有限差分法、有限元法、有限体积法。兹采用ＣＦＸ计算，选用的离散方法为有限体积法，该种方法计算效率高，被大多数商用ＣＦＤ软件采用。２方案设计综合场地、经费及精度的