取水前池泥沙淤积分布数值模拟研究.pdf

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1、泥沙研究2010年2月Journa1ofSedimentResearch第1期取水前池泥沙淤积分布数值模拟研究窦身堂，余明辉，杨国录，窦春锋(1．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072；2．黄河水利科学研究院，河南郑州450003)摘要：取水前池含沙量较大时，需要考虑前池中的泥沙淤积分布情况，以便于确定抽水泵运行模式及装配清淤设备。本文应用正交曲线坐标系下的水深平均二维数学模型对前池流态、泥沙淤积分布进行了数值模拟，结果与理论分析、相关研究结论一致。关键词：取水前池；泥沙淤积；数值模拟中图分类号：0242．1文献标识码：A文章编号：

2、0468—155X(2010)01—0058-050前言取水工程中前池的主要功能为：减少渠道中水流非均匀的影响，将取水渠中来水均匀地分配给各吸水间；起一定的调节作用，用来应对突然增加或减少的流量；缓冲水击波，减少非恒定流造成的不利影响；便于清除由取水渠道进入的污物、泥沙、浮冰等，以减少对水轮机的磨损等影响。目前，采用平面二维数学模型和三维紊流模型进行泵站前池流态及其改造措施研究的越来越多，所得的成果对改善泵站前池运行条件起到了很好的指导作用。本文采用正交曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型，预测了取水前池在不同的泵布置及调度方案情况下，池中泥沙淤积分布情况。1

3、数学模型1．1控制方程大型取水前池的平面尺寸一般比水深大许多倍，因此可以采用沿水深平均的二维浅水方程描述水流的运动规律。在抽水管口附近由于压强明显小于周围水体，可能局部存在流态紊乱、流速急变现象，但经过小范围的过度与发展后，流态平顺、水面平缓，因此在忽略抽水管口局部紊流问题情况下，可采用平面二维模型来模拟预测水沙输移及池内冲淤。在明渠、河流、河口水沙输移及河床变形的研究中，应用水量守恒、动量守恒、沙量守恒及补充方程建立的数学模型已经成为一种重要方法，处理手段也相当的成熟。进一步考虑前池内抽水泵布置与出口封闭的特性，控制方程中将抽水管121概化为等强度汇流考虑

4、，基于正交曲线坐标系，尾端封闭的取水前池中水沙输移运动可由以下基本方程控制水流连续方程善+去毒c，+去=。g㈩水流运动方程警+矗【毒∽+⋯鲁鲁]收稿日期：2008-03437基金项目：国家“973”计划资助项目(编号：2007CB714100)作者简介：窦身堂(1980一)，男，武汉大学水电学院博士研究生，研究方向为水力学及河流动力学。58⋯去篝一+1【o喑鲁】十去Ot十去[毒cc+cc⋯鲁】⋯毒等一+1【0+私-f舒卜壶分组悬移质连续方程O(hSk)_++[【妾cChuSk)+c‘cf^．s)’]J=，麦【岳+()】+∞c．s一s一去‘c(4)分组河床变形

5、方程y=Js一s)：1，2，⋯，ks(5)式中：、叼分别表示正交曲线坐标系中二个正交曲线坐标；H、分别表示沿、叩方向的流速；h表示水深；z表示水位；Cf、C表示正交曲线坐标系中的拉梅系数，Cf=√；+Y，C=√+Y；；or错、or翱、表示紊动应力，转=2[击詈+袁】，：=[嚣(毒)+毒()】，=lOv2一一．；+等】表示紊动粘性系数，=auh,a=0．5～1．。；n为糙率系数；g为水流的源汇流量，吸水管处为水泵抽水流量，其它部位为0；和分别为沿水深平均的源汇速度在、方向上的分量；s表示第k组泥沙的挟沙能力；．s表示第k组泥沙的悬移质含沙量；表示第k组泥沙沉速

6、；为含沙量恢复饱和系数；Z为第k组悬移质泥沙引起的河床变形。1．2辅助方程分组挟沙力的计算公式为非均匀沙数学模型的一个主要补充方程。非均匀悬移质按其粒径大小可分成ksk组，s表示第k组泥沙的挟沙能力，先选定代表沉速按张瑞瑾公式计算ksk总含沙量，然后按床沙级配分配泥沙分组含沙量，即s·：Kf1(6)其中代表沉速：=(kskm)l／m~k=(、0,9k／1／。(、01／1式中：为第k组泥沙的沉速。非均匀沙分组水流挟沙力计算公式为s：=8S(72数值计算方法基于交错网格，将方程进行在各自的控制体积上进行积分离散。非耦合求解水流泥沙方程，利用SIMPLEC算法迭代

7、求解水流方程，然后计算分组粒径的含沙量分布和底床冲淤厚度、床沙级配。3模型应用3．1前池模型及网格划分取水前池模型为：前端三进水口、中部为渐扩段，其中出于工程需要布置三排立柱，尾部为9个相同吸水间各安装1个抽水泵，吸水管半经为0．3m竖直安放，距池底0．4m处抽水，单泵抽水功率为597750m／h。具体尺寸如下：前端宽18m，后段宽36rrt，纵深约为26m，整个前池面积约684m。三个进水口可根据实际运行需要独立进行开闭，进水经前池稳定后，由尾部的吸水间抽走，工程及相关设施布置见图l。前池进水年度含沙量变化范围在0．355kg／m。～1．406kg／m间，

8、中值粒径为0．0083mm。为了相当好地模拟前池边界