CN110644446A - 泵站侧向进流的三维整流池及整流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵站侧向进流的三维整流池，包括引渠和下沉式前池，所述引渠与下沉式前池相通，所述引渠末端设置有导墙，所述下沉式前池内设置有配水底板，所述配水底板一侧与所述导墙连接，另一侧为水流跌落端，所述水流跌落端相对的下沉式前池一侧设置有档墙。本发明针对平面空间有限的侧向进流泵站，通过平面和垂向的三维整流，有效消除前池中潜在的回流、偏流和旋涡等现象并改善流量分配不均等问题，为各水泵机组提供良好的进流条件，提高其运行安全性和工作效率。

Description

泵站侧向进流的三维整流池及整流方法

技术领域

本发明涉及泵站前池及整流方法，具体涉及一种泵站侧向进流的三维整流池及整流方法。

背景技术

前池是泵站进水建筑物的重要组成部分，它的作用是衔接引渠和进水池，引导水流平稳、均匀地流入进水池，为水泵机组创造良好的进流条件。前池根据进流方向可分为正向进水和侧向进水两种型式。正向进水前池的主流与引渠来流方向基本一致，流态平顺稳定，是泵站设计中优先采用的前池型式。当地形条件和平面空间限制难以布置正向进水前池时，须考虑采用侧向进水前池，其主流方向与引渠来流方向存在明显夹角，容易产生回流、偏流和旋涡等现象和流量沿过流宽度分配不均等问题。因此，各水泵机组的进流条件具有显著差异，其中部分机组在回流、偏流和旋涡的影响下进流条件恶化，能量性能和汽蚀性能降低，甚至可能发生振动、空蚀、泵前泥沙淤积等问题。设计合理的整流方法以改善侧向进流泵站的前池流态，对于提高各水泵机组的运行安全性和工作效率具有重要意义。

目前，针对侧向进流泵站的前池整流方法主要分为增大前池长度和增设整流装置两类。增大前池长度为水流提供更长的调整和扩散空间，有助于消除侧向进流引发的回流、偏流和旋涡等现象，促使水流在前池出口达到平顺并且流量沿过流宽度均匀分布。前池长度增大越多，整流效果越好，然而由于平面空间的限制，前池长度不能无限增大，有时难以取得较好的整流效果。增设整流装置，如导流墩、立柱、底坎和压水板等，能够一定程度地改善前池流态。相对于增大前池长度，上述整流装置的整流效果有限，难以完全消除回流、偏流和旋涡等现象和改善流量分配不均等问题，并且还将显著增大水头损失，降低水泵机组工作效率。另外，整流装置往往是针对某些特定运行条件进行设计的，其整流效果在上述运行条件下较好，然而在其他运行条件下难以保证。

综上所述，现有侧向进流泵站的前池整流方法难以有效兼顾平面空间和整流效果。

发明内容

发明目的：本发明提供一种泵站侧向进流的三维整流池及整流方法，解决现有前池整流难以兼顾平面空间和整流效果的问题。

技术方案：本发明所述的泵站侧向进流的三维整流池，包括引渠和下沉式前池，所述引渠与下沉式前池相通，所述引渠末端设置有导墙，所述下沉式前池上方设置有配水底板，所述配水底板一侧与所述导墙连接，另一侧为水流跌落端，所述水流跌落端相对的下沉式前池一侧设置有档墙。

所述配水底板长度大于宽度。

所述水流跌落端为一字形、三角形、圆弧形或者抛物线形结构。

所述水流跌落端与挡墙的水平间距大于所述引渠内最大水深。

本发明所述的泵站侧向进流的三维整流池的整流方法，包括以下步骤：

(1)水流流至引渠末端后，借助引渠末端的导墙引导水流转向；

(2)水流转向后经配水底板跌入下沉式前池，冲击挡墙后反向并流至沉式前池出口。

有益效果：本发明通过设计和开挖下沉式前池，有效利用垂向空间，构建包括上下两层的三维流道，在不增大平面布置空间的前提下，显著增大水流到达水泵机组前的平直调整距离；本发明利用配水底板，使得水流在由引渠进入下沉式前池的垂向跌落过程中，流量沿过流宽度得到良好分配，有效控制下沉式前池内回流、偏流和旋涡等现象发生，促使下沉式前池内水流经过更短的距离达到平顺、稳定、均匀过流。本发明针对平面空间有限的侧向进流泵站，通过平面和垂向的三维整流，有效消除前池中潜在的回流、偏流和旋涡等现象并改善流量分配不均等问题，为各水泵机组提供良好的进流条件，提高其运行安全性和工作效率。

附图说明

图1为本发明三维整流池结构立体图；

图2为本发明三维整流池结构俯视图；

图3为本发明三维整流池立体结构图(A-A剖面)；

图4为工况3条件下方案M1流态；

图5为工况3条件下方案M2流态；

图6为工况3条件下方案M1前池内流速云图和流线图；

图7为工况3条件下方案M2前池内流速云图和流线图。

图中：1-引渠，2-下沉式前池，3-导墙，4-配水底板，5-挡墙，6-水流跌落端，7-大尺度回流区；a-引渠宽度，b-前池和配水底板宽度，c-配水底板长度，d-配水底板与挡墙水平间距，e-下沉式前池开挖深度，f-前池长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1-3所示，泵站侧向进流的三维整流池，包括地面部分和地下部分，地面部分包括引渠1、引渠末端导墙3和引渠转向后的配水底板4；地下部分包括挡墙5和下沉式前池2。引渠与下沉式前池相通，引渠末端连接导墙，配水底板4设置在下沉式前池 2上方，配水底板4一侧与导墙3连接，另一侧为水流跌落端6，水流跌落端6相对的下沉式前池2一侧设置有档墙5。配水底板4，其长度c应大于宽度b，为引渠来流在转向后和跌落前提供一定的调整空间；另外，其水流跌落端与挡墙的水平间距d需大于引渠内最大水深，避免跌落水流发生阻塞；跌落端形状根据运行条件选择为一字形、三角形、圆弧形、抛物线形等，进一步提高垂向空间内流量的分配效果。下沉式前池，考虑其中流速将大于引渠流速，其开挖深度e需大于引渠内最大水深，保证水流与顶部之间的余幅始终满足工程安全需求，避免发生明满流、过流不畅、冲击顶部配水底板等问题。

本发明的三维整流池，借助引渠末端的导墙引导来流转向水泵机组的相反方向，水流转向后经配水底板跌入下沉式前池，冲击挡墙后反向，重新流向水泵机组方向。下沉式前池，有效利用垂向空间，构建三维流道，在平面空间有限的情况下，显著增加水流到达水泵机组前的平直调整距离；配水底板使得水流在垂向跌落过程中，流量沿过流宽度良好分配，有效控制下沉式前池内回流、偏流和旋涡等现象发生，促使下沉式前池内水流经过更短的距离达到平顺、稳定、均匀过流；妥善设计的配水底板跌落端形状可进一步提高垂向空间内流量分配效果。本发明的三维整流池针对平面空间有限的侧向进流泵站，通过平面和垂向的三维整流，有效消除回流、偏流和旋涡等现象并改善流量分配不均等问题，为各水泵机组提供良好的进流条件。

下面结合数值模拟验证本发明的整流效果，具体如下：

采用传统侧向进水前池，命名为M1，引渠宽1.0m，截取5.5m长进行数值模拟，前池与引渠呈90度夹角，宽2.5m，出口位于引渠右侧6.0m处。采用本发明提供的三维整流池方案进行对比，命名为M2，引渠宽度和长度、前池宽度和出口位置均与侧向进水前池保持不变，配水底板宽度与前池宽度相同为2.5m，长度取3.5m，配水底板与挡墙间距为1.5m，则下沉式前池长度达到10m，其开挖深度取2m。根据该泵站的实际运行条件，设计3个运行工况，其引渠来流深度保持1.5m，流量为1.50m³/s、1.95m³/s 和2.40m³/s，分别命名为工况1、工况2和工况3。

RNG k-ε湍流模型形式如下：

其中：μ_eff＝μ+μ_t，μ_t＝ρC_uk²/ε，η＝(2E_jiE_ij)^1/2k/ε，

式中：u_i(i＝1,2,3)分别为xyz方向的速度分量，k为紊动能，ε为耗散率，μ_t为动力涡黏系数，μ为动力黏滞系数，ρ为水的密度，G_κ为平均速度梯度产生的湍流动能，α_k和α_ε为k和ε对应的Prandtl数，E_ij为主流的时均应变率，常数项取值为η₀＝4.377、β＝ 0.012、C_1ε＝1.42、C_2ε＝1.68。

Volume Of Fluid控制方程如下：

其中：ρ＝α_wρ_w+α_gρ_g，μ＝α_wμ_w+α_gμ_g，α_w+α_g＝1。

式中：u是速度矢量，p为压力，g为重力加速度，α_w和α_g分别是水和空气的体积分数，μ为混合动力粘度系数，ρ为混合密度，下标w和g分别表示水和空气。

图4和图5分别为工况3条件下方案M1和M2的流态。如图所示，M2中水流经配水底板跌入下沉式前池后，在较短距离即达到较为平顺均匀的流态，作为对比，M1 中引渠来流经90度转向进入前池后，在左侧形成冲击水翅，流态较差。图6和图7分别为工况3条件下方案M1和M2前池内流速云图和流线图。M1中，主流偏向于前池左侧，右侧形成大尺度回流区，回流区宽度超过前池宽度的1/2，严重压迫主流，即使在前池出口流速仍难以达到较为均匀的分布，导致部分水泵机组进流条件较差。M2中，主流居中并接近全断面过流，前池内不再形成回流区，另外，由于前池长度达到M1的 5/3倍，在距离前池出口尚有9.575m的断面，流速已达到较为均匀的分布。除此之外，对比M1，M2中前池出口的水流动能更大，能够为各水泵机组提供更好的进流条件，提高其工作效率。表1显示工况1-3条件下方案M1和M2在前池出口的流速不均匀系数 k，k表达为：

其中，V_max、V_min和

分别表示前池出口的流速最大值、最小值和平均值。

表1工况1-3条件下方案M1和M2在前池出口的流速不均匀系数K对比

K越小，表明水流到达前池出口时流速沿过流宽度分布越均匀，即整流效果越好，当K＝1时表明流速沿过流宽度均匀分布。M2在各工况下K均接近于1，且较M1有显著降低，最大降幅达到43.8％(在工况1下)，表明M2的前池末端水流已经基本达到平顺、均匀状态，为各水泵机组提供良好的进流条件。数值模拟结果表明，本发明的三维整流池有效利用垂向空间，构建包括上下两层的三维流道，显著增大水流到达水泵机组前的平直调整距离，同时利用配水底板，使得水流在由引渠进入下沉式前池的垂向跌落过程中，流量沿过流宽度得到良好分配，从而获得高效地整流效果，有效避免前池内形成回流、偏流和旋涡等现象，显著提高前池末端水流均匀程度，为各水泵机组提供良好的进流条件，提高其运行安全性和工作效率。

Claims (5)

1.一种泵站侧向进流的三维整流池，其特征在于，包括引渠(1)和下沉式前池(2)，所述引渠(1)与下沉式前池(2)相通，所述引渠末端设置有导墙(3)，所述下沉式前池(2)上方设置有配水底板(4)，所述配水底板(4)一侧与所述导墙(3)连接，另一侧为水流跌落端(6)，所述水流跌落端(6)相对的下沉式前池(2)一侧设置有档墙(5)。

2.根据权利要求1所述的泵站侧向进流的三维整流池，其特征在于，所述配水底板长度大于宽度。

3.根据权利要求1所述的泵站侧向进流的三维整流池，其特征在于，所述水流跌落端为一字形、三角形、圆弧形或者抛物线形结构。

4.根据权利要求1所述的泵站侧向进流的三维整流池，其特征在于，所述水流跌落端与挡墙(5)的水平间距大于所述引渠内最大水深。

5.根据权利要求1-4任一项所述的泵站侧向进流的三维整流池的整流方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)水流流至引渠末端后，借助引渠末端的导墙引导水流转向；

(2)水流转向后经配水底板跌入下沉式前池，冲击挡墙后反向并流至沉式前池出口。

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