2.4 前池流态改善底坎整流机理
底坎作为一种形式简单、施工方便的整流措施,消除漩涡和回流效果明显。利用基于紊流模型的数值模拟技术,研究底坎整流流场结构,特别是分析了底坎的主要特征参数,并与有关经验公式和实验资料进行了比较。
基于数值模拟技术计算了前池中设置底坎及其不同位置处的流态,并与实验结果进行对比,分析底坎位置、高度及顶宽对前池整流效果及流态的影响。
2.4.1 数学模型
前池内的流动为复杂的不可压缩湍流流动,其雷诺数较大,选择Realizable kε湍流模型模拟该流动。基于交错网格技术,使用分离求解器求解离散方程组,选取SIMPLE算法作为该模型的基本算法。
2.4.2 数值模拟计算
1.计算区域及网格划分
在笛卡尔三维坐标系下,采用商业CFD软件Fluent®专用前处理模块Gambit建立实体模型,模型的各个组成部分按照水流的方向依次包括涵洞、消力池、前池以及进水池。将整个水体流动的区域作为计算区域(图2.2),局部细节示意图中,H为坎高,B为底坎顶宽。
图2.2 计算区域及局部细节示意图
图2.3为模型的尺寸示意图,其中D为水泵直径,L i为底坎离进水池的距离。模型的进、出口分别取在涵洞的进水侧和进水池内出水管的出口侧。各出口的流量相等,与实验出口流量相同。
图2.3 模型尺寸示意图
为了更好地保证网格的剖分质量和处理数据,采取分割计算区域的方法,将其划分为五个子区域。根据模型的复杂性和几何特征,使用不同类型的网格对各子区域做离散化处理,其中采用非结构网格对进水池部分进行离散,涵洞部分、消力池部分以及前池部分皆采用结构化网格离散,这就方便了对局部进行加密处理。网格剖分示意图如图2.4所示。
图2.4 网格剖分示意图
通过网格的无关性研究发现,当网格量级大于(4～5)×105时,计算结果无明显差异,故采用的网格量纲控制在5×105。
2.边界条件
如图2.2所示,进口取在涵洞的入口侧,设为质量进口,流量为33.4L/s。出口设置在进水池内出水管的出口侧,设为自由出流条件。固体壁面处采取标准壁面函数处理,无滑移条件(x、y、z方向上的分速度均为0)。前池水深为0.22m。自由表面设为对称边界条件。
2.4.3 研究方案
为了较全面地研究底坎的位置、高度和顶宽等因素对底坎整流效果的影响,共有8种计算方案(表2.1)。其中,方案1为无措施方案,方案2～方案4研究了底坎位置变化对前池整流效果的影响,方案5～方案8研究了底坎高度和顶宽对前池流态的影响。
表2.1 各方案底坎的位置和尺寸
2.4.4 整流方案效果分析
取正对流动方向为坎前,反之为坎后。图2.5为无措施以及各改善方案的迹线图。由图可见,在前池的两侧均存在较大的回流区。
通过比较方案1～方案4发现:无底坎时,两侧回流区压迫主流很严重,造成主流向一侧偏斜严重,将导致泵站进水条件恶化,甚至发生侧向进水。随着底坎位置向进水池逐渐靠近,坎后回流有减小的趋势。方案4的主流偏斜依然严重,并且回流有加重的趋势。底坎离涵洞越近,前池主流向另一侧偏斜。
图2.5 各方案的迹线图
由于坎后旋滚,坎后水流若未充分恢复,将引起进水池流态紊乱,底坎的位置不宜离进水池过近。底坎设在合适的位置,坎后的旋滚作用充分发展,能减少对进水池进水流态的影响。
由方案3、5、6可知,随着底坎高度的增加,泵站两侧的回流区位置离进水池越来越远,并且呈缩小趋势。方案3和方案5的回流区不仅发生在坎前,还延伸至坎后,而方案6的回流区则只发生在坎前。这表明:底坎过低时,由于坎后旋滚区较小,不能使前池的流动重新充分均匀分布。随着坎高的增加,坎后旋滚区变大,对前池流动的影响变大,坎后流动能充分均匀分配。若底坎过高,会造成坎后旋滚区的漩长变大,这将可能对进水池的流动产生不良影响,从而使得水泵的进水条件变差。由方案3、7、8可知,随着顶宽的增加,前池流态会稍有改善,但是改善效果不明显。
如图2.6所示,通过比较方案1～方案4的面流流态发现:无措施时面层的回流区很狭长,延伸至进水池前,随着底坎位置不断接近进水池,坎前回流区的范围逐渐增大,坎后回流区的范围逐渐减小,直至消失,进水池前的面层流态得到改善。
图2.6 面层流速矢量图
由方案3、5、6可知,方案5面层前池两侧的回流区较狭长,直至延伸至进水池前,方案6的回流区则控制在坎前。方案3、7、8回流区的位置大致相同,且大小基本不变。
图2.7显示无措施的前池内有大尺度的回流区,随着底坎位置靠近进水池,大范围的回流从坎后变到坎前,坎后的回流区逐渐减小,方案2、3的坎后回流区已不明显,这将有利于进水池的进水流态。
分别对比方案3、5、6和方案3、7、8均能发现类似于上述面层的流速矢量分布规律。
图2.6、图2.7为各方案前池面层和底层的流速矢量图。模拟结果显示,表面和底面均有回流区,但回流区位置并不完全重合。无措施时,面层和底层的回流区都非常明显;方案5面层和底层的回流区均发生在坎前并延伸至进水池前,方案6面层和底层的回流区基本发生在坎前并终止于坎前;方案7、8表层和面层回流区的位置和大小大致相同。
图2.7 底层流速矢量图
图2.8分别给出了各方案进水池前及坎前的流速分布,坎前断面距底坎D,进水池前断面距喇叭管3D。
图2.8(一) 各方案进水池前及坎前的流速分布图
图2.8(二) 各方案进水池前及坎前的流速分布图
通过比较两断面的流速分布发现,方案2～方案4坎前断面两侧的水流为反向流动。进水池前断面速度矢量随着底坎离进水池变近而变得逐渐均匀。方案5两侧的反向流动范围比较大,方案6在所取断面处基本消除了反向流动。方案7、8在断面处的流速分布大致相同。
2.4.5 计算与实验分析结果
图2.9为泵站进水池前断面实验结果与计算结果行近流速分布的对比图。研究表明:前池的不良流态延伸至两侧机组进水池前,两侧机组的进水条件较差。对比方案2和方案3结果发现:两侧机组的进水流态较好。但实验结果显示方案2中间机组进水池前的进水流态较差。由于实验中测点较少且在垂直方向上非均匀变化。为了更准确地显示计算结果,数值模拟中取了垂直方向上均匀变化的测点。各方案的数值模拟结果的规律及数值大小与实验结果有一定的差异,但基本一致。这说明数值模拟结果是可信的。
图2.9 站前行近流速实验与CFD结果比较
模拟和实验结果表明:无底坎时前池内出现大尺度的漩涡和回流区,这将造成主流被压迫,两侧机组的进水条件恶化,发生偏流,出现侧向进水。底坎离进水池较远时,由于整流过早,整流效果不明显,前池两侧也有大范围的回流。底坎离进水池过近时,由于坎后旋滚作用,坎后水流还未得到充分发展,亦会对进水池前的进水流态产生不良影响。根据对比结果可以看出,底坎设在离进水池(7～10)D处前池流态较好,两侧机组的进水流态也较好。
上述分析表明,CFD模拟结果在定性和定量两个方面均与实验结果相吻合。