大寨河闸站对称分布机组进水水流数值模拟

吴佩锋，周庆连，丁 浩，王振华，徐 静

(1.江阴水利局，江苏 江阴 214400； 2.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222006； 3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127； 4.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225007)

1 概 述

随着近几年我国水利建设速度的不断加快，中小型水利建筑物得到快速发展。闸站建筑物中，泵站与水闸是通过隔流墩隔开，其中泵站前池作用是为了保证水流从引水渠流向进水池的过程中能够平顺扩散，为进水池提供良好流态[1-3]。《泵站设计规范》(GB 50265-2010)要求泵站进水流态良好，满足水泵进水要求，且便于清淤和管理维护[2]。闸站隔流墩会导致泵站边机组侧产生较大回流，降低泵站边机组运行效率，甚至加大泵站机组振动噪声。为减小闸站隔流墩泵站边机组回流的影响，须对闸站多机组泵站与水闸布置形式进行研究，本文拟采用CFD数值模拟方法，分析闸站布置形式进水流态的影响。

2 工程概况

大寨河闸站工程位于大寨河入新濉河口门处，闸站工程在新濉河行洪时具有挡洪功能，建设地点选在新濉河右堤位置。大寨河拟建位置河底宽约15 m，河坡坡比1∶2，河堤顶高程约17.5～19.0 m，左堤外为绿化区，右堤外为农田。考虑大寨河河势条件和现场地形，节制闸布置在河道中心线上，节制闸设计过闸流量73.2 m3/s；泵站分别布置在节制闸两侧，北侧2台机组结合引水流量7.0 m3/s，采用立轴式机组配X形流道的双向泵站，双向泵站一用一备，南侧2台机组为立轴式机组单向泵站，泵站排涝流量29.1 m3/s。考虑大寨河右堤外为农田，为避免占用农田，控制室布置在左岸，检修间布置在右岸，排涝时使用全部机组，引水时使用左岸2台机组。大寨河闸站布置见图1。

3 数学模型

大寨河闸站节制闸布置在河道中心线上，泵站分别布置在节制闸两侧，闸室净宽12 m；闸站每侧布置2台机组，净宽5 m，共4台机组；河道河底宽40 m，河底高程9.0 m(废黄河高程，下同)，河道边坡1∶3。根据地涵工程建筑物及河道布置情况，按照1∶1(单位：m)比例，建立水流三维数学模型，其中河道长度大于5倍水面宽，满足规范要求。见图2。

4 计算设置

4.1 控制方程

该闸站工程水流流动区域三维数值模拟采用三维雷诺时均N-S方程来描述其不可压缩湍流流动，方程式如下:

连续性方程：

雷诺时均N-S方程：

式中：ρ为流体密度；t为时间；ui(i=x，y，z)为速度沿i方向的分量；p为压力；v为流体的运动黏性系数。

4.2 可实现k-e模型方程

计算湍流模型选择realizable k-e方程，对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离、强流线弯曲、漩涡和旋转、二次流有很好的表现。

4.3 边界条件设置

进口设置为速度进口；出口设置为自由出流，水流与空气接触面为刚盖假定，其余壁面均设为无滑移壁面条件，设定参考大气压力为1atm。所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为5×10-4。

5 结果分析

计算工况考虑泵站排涝设计水位工况(节制闸关闭)，即大寨河侧(上游)水位14.00 m，新濉河侧(下游)水位16.90 m，泵站排涝设计流量29.1 m3/s。

图3为该闸站表流平面流态结果分布图。引水前池水流流态较为平顺，无回流等不良流态，引水口两侧5倍水面宽长度内主流流速范围在0.1～0.2 m/s。水流在节制闸内形成大尺度回流，回流流速为0.1 m/s左右。节制闸左右两侧机组水流流态分布较为均匀，靠近节制闸两侧机组有很小的回流，对泵站进水影响很小，可忽略不计；两侧边机组流态非常均匀，对泵站进水几乎无任何不利因素。图3计算结果表明，该闸站节制闸居中布置且两侧各布置两台泵站机组，有利于水流平稳进入泵站机组流道，机组内无不良流态，闸站平面布置合理。

图3 平面流态分布结果云图

图4为该泵站机组流道进口流速分布结果云图。节制闸两侧边机组流速分布均匀，主流流速范围在0.28～0.3 m/s以内，且几乎满堂分布。靠近节制闸的两侧机组流道进口最大流速分布范围为0.3～0.34 m/s之间，最小流速分布范围为0.14～0.34 m/s之间，流速分布均匀度不如两侧边机组，但几乎不影响机组运行效率。

图4 泵站机组流道进口流速分布结果云图

综上所述，引水前池水流流态较为平顺，无回流等不良流态；节制闸内形成大尺度回流，节制闸左右两侧机组无不良水流流态；各机组流道进口流速分布较为均匀。该闸站节制闸居中布置且两侧各布置两台泵站机组，有利于水流平稳进入泵站机组流道，机组内无不良流态，闸站平面布置合理。

6 结 语

通过数值模拟，分析了泵站机组对称布置对进水流态、流速分布的影响，结论如下：

1) 闸站引水前池水流流态较为平顺，无回流等不良流态。

2) 闸站各机组流道进口流速分布较为均匀。

3) 闸站节制闸居中布置且两侧各布置两台泵站机组，有利于水流平稳进入泵站机组流道，机组内无不良流态，闸站平面布置合理。