引黄泵站前池进水池整流措施_南水北调工程科研勘测设计文集-QQ阅读仙侠女生网

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引黄泵站前池进水池整流措施

黄金伟

河海大学，南京 210098

南水北调东线山东干线有限责任公司，济南 250014

朱丕春

山东省胶东调水局，山东青岛 266200

姚辉勇

南水北调东线山东干线有限责任公司，济南 250014

刘世学

南水北调东线山东干线有限责任公司，济南 250014

李典基

南水北调东线山东干线有限责任公司，济南 250014

以引黄泵站工程田山一级泵站的更新改造为背景，运用三维紊流数值模拟技术为研究手段，基于大型计算流体力学软件Fluent为平台，针对田山一级泵站4号前池、进水池内部水流流态进行了数值计算，揭示了泵站前池水流特性，预测泵站前池进水池流态分布，为泵站的改造提供一定的理论依据，保证泵站的安全运行、优化设计具有重要的指导意义。

关键词:引黄泵站-前池-整流措施-三维紊流-Fluent-流态分布

1 研究背景

泵站进水建筑物一般包括引水渠、前池和进水池，对大型块基型泵站还包括进水流道，是泵站工程中的重要组成部分。田山一级泵站是田山引黄灌区的唯一取水口，直接提取黄河水为整个灌区提供水源。泵站共装有轴流泵12台，设计提水流量24m³/s，引水渠口至进水喇叭口仅19m。本泵站自1972年投入运行，对灌区工农业生产的发展发挥了重要的作用，保证了灌区粮食稳步增长，但是在管理运行中，泵站装置效率不高啊，效益不能充分的发挥，其主要原因：一受地形所限，进水前池设计较短，泵室进水条件差，水流紊乱，产生汽蚀现象，噪音强烈并引起机组振动，加之提引黄河泥沙水，水泵大轴和橡胶轴承及其过流部件磨损严重，检修繁琐。严重的汽蚀和磨损，直接影响了装置效率的提高；二进水闸前无拦沙设施，再加上黄河水位较高产生闸下射流，直冲到闸室，严重地降低了泵站效率。为了改善前池的流态，必须进行多种流态改善工程措施的试验，在闸门后0.55m处设置4个梳流趾墩，前池进口处及其后2.4m处设置了两道底坎，这样使水流在深度方向扩散在平面上起到导流墩的作用，有起到消能的作用。在前池高程33.7m、36.52m之间设了消力、消波梁4条。

2 泵站前池与进水池流态的数学模型

控制微分方程 ^[2^-^5]可以统一写成如下公式：

式中：φ为待求未知量；Γ_φ为相应于φ的扩散系数；S_φ为相应的源项。φ、Γ_φ和S_φ待定的形式，见表1。

表1 三维直角坐标系中的控制方程

c₁=1.44，c₂ =1.92

3 田山泵站4号前池与进水池的数值模拟和成果分析

3.1 泵站改造前的数值模拟^[⁶^-^8]及成果分析

按前池设计水位高程35.50m时的单泵或双泵运行以及对泵站前池实施一定的措施以后运行等3种计算工况（见表2）进行模拟计算。

表2 计算工况

模拟田山泵站前池进水池浑水水流流场，当计算达到收敛精度时，浑水水流流场的速度、压力趋于稳定。模拟工况1成果，断面1为距离闸门7.7m，断面2为距离闸门12.2m。

由田山泵站工况1水流流速剖面图（图略）可知，田山泵站改造前前池断面1、断面2流速分布很不均匀，池底流速较大，中层流速和表层流速相对小得多。断面1、断面2的底部流速明显的偏向运行7号泵的进水池中，在断面2的池底流速有偏向上的趋势，表层已经出现了逆向流动。在不运行的水泵机组8号的进水池内出现回水区、死水区以及一定量的大小不等的漩涡。

3.2 田山泵站前池改造后的数值模拟及结果分析

模拟田山泵站改造后的前池进水池浑水水流流场，当计算达到收敛精度时，浑水水流流场的速度、压力趋于稳定。

采用跃前底部梳流趾墩消能和跃后消力消波整流措施后，由模拟的计算结果可知，前池尾部断面流速分布相对于改造前的流态比较均匀，中层流速相对较大，底部流速减小，表层流态平稳，几乎没有出现漩涡。在前池尾断面处的主水流仍是偏向运行的7号泵池，这点与改造前的结论是相同的。前池底部的水流在出闸门0.5m处折偏向上流，这样梳流趾墩就在水跃前削弱了水能，同时水跃后增设消波整流横梁，削弱了前池中水流的波动。表层的水流流向7号泵，并在此沿泵向下流到达喇叭吸水口。

4 数模与原型现场测试结果的对比

4.1 田山泵站前池流场的现场测试

在前池中设两个测流断面，池中断面采用五线三点法和池尾采用七线三点法^[9-10]分两次测量不同水深（0.2H、0.6H、0.8H）处的流态变化。结果显示，现场测试的成果与模拟计算成果一致，前池断面1的水流偏向上流，断面2的水流偏向运行的9号机组池，水流基本没有产生回流。

4.2 实测点的流速与数值模拟计算点的流速比较

现场测试点是由田山泵站前池水位高程35.5m工况下的断面1和断面2上对应采用五线三点法和七线三点法沿水深方向分别取0.2H、0.6H、0.8H等水平面处的节点确定的。下面从泵站前池改造前和改造后等几种工况下对现场测试的实测点的流速和数值模拟计算点的流速进行了对比（见图1）。测点对比图的横坐标为建立的几何模型的Z轴坐标，方向从前池的左侧到右侧，其纵坐标为测点的流速的大小。在下面的实测试点的流速图和数值模拟计算的流速图的对比中，系列1代表数值模拟计算点的流速曲线、系列2代表实测的试验点流速曲线。

田山泵站工况1前池改造前的测点流速与数值模拟的测点流速的对比见图1。

图1 田山泵站工况1试验点与数模计算点的速度比较图

图1 田山泵站工况1试验点与数模计算点的速度比较图（续）

田山泵站工况2前池改造前的测点流速与数值模拟的测点流速的对比见图2。

图2 田山泵站工况2试验点与数模计算点的速度比较图

由上述几个不同工况的试验测试点与数值模拟计算的点的流速的比较可见，数值模拟的计算结果与现场测试的流速分布是基本一致的，数模节点的流速值与现场测试实测值存在一定的误差。引起误差的原因是多方面的，既有测试的误差，也有数值计算上的问题，数值计算上的问题主要是由边界的假定与实际情况间的差别及数值误差引起的。影响现场测试前池流态的主要因素是：①由于田山一级是从黄河直接抽水的，黄河的含沙量基本在5kg到30kg之间，因此现场测试时就在泵站的进水流道池底部避免不了有一定的淤积，这样测点的流速就有一定的差别；②由于黄河水位是变化的，本次的现场试验测试时，黄河水位高程是在35.1m到35.6m之间变化的，为了控制前池的水位只有提起或下压闸门来实现了，这样的话，前池的流态又要发生一定的变化，但是不会很大的。因此，数值模拟的计算结果与现场测试的节点的流速误差的存在是必然的，但相差不大，趋势一致，可以认为建立的数学模型能较好地模拟泵站前池水流流态。