引黄济临工程泵站深井式进水口三维数值模拟及流场分析_王开喜.pdf

第 59 卷 第 5 期2023 年 5 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59，No.5May，2023DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2023.05.009收稿日期：2023-03-30作者简介：王开喜（1983-），男，甘肃民乐人，高级工程师，学士，主要从事水利水电工程规划设计，E-mail：。引黄济临工程泵站深井式进水口三维数值模拟及流场分析王开喜（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）摘要：基于CFD方法对引黄济临工程泵站深井式进水口进行了三维数值模拟，通过VOF技术对自由液面进行追踪，分析了运行水位在1 719.9 m和1 717.5 m两种工况下的流速分布、压力及湍动能分布等流场特性。结果表明：在运行水位1 719.9 m时，受台帽的影响，进入进水口的水流流态变化比运行水位1 717.5 m时的剧烈；受台帽的影响，流速梯度、压力梯度和湍动能分布在运行水位1 719.9 m时，比运行水位1 717.5 m时要大一些；总体上进水口在不同运行水位时流态缓和，无明显的旋涡及二次流等不良现象。表明进水口的设计是合理的，水力条件较好。关键词：引黄济临工程；进水口；数值模拟；流场特性中图分类号：TV675；TV135文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）05-0038-041前言引黄济临工程是保障临夏市及临夏县北塬区城乡生活用水需求，兼顾工业用水、养殖业用水，保障区域可持续发展，推动当地群众脱贫致富的重要民生工程。在调水工程中，泵站是整个工程的核心，而泵站进水口的运行状况决定着整个工程的输水保证率及运营效率。当采用进水池引水时，主流一侧或两侧常常会出现旋涡区，有可能会形成漏斗式旋涡，导致水流进入吸水管时不均匀，严重时吸入的空气会引起水泵振动，降低输水效率。因此，水流流态是进水口设计关注的重点问题。由于引黄济临工程地质条件复杂，设计方案主要是通过暗涵进行引水，进水口为深井式进水口。对于泵站和水电站进水口水力特性的研究，国内外已有较多研究成果，尤其是随着计算流体动力学的发展，数值模拟技术已经成为研究各类过水建筑物水流流态的重要方法。Brocard等1运用有限元法求解了二维深度平均下的质量守恒方程和能量守恒方程，并且将计算结果和试验结果进行了比较。Smith等2运用代数雷诺应力模型和标准模型，模拟了涡管内可以压缩的旋涡流动。赵永志等3采用k-紊流模型和VOF方法，对底部孔口的出流情况进行了数值模拟，并对速度场和压力分布进行了研究。曹婷等4对水电站进水口的流场进行了三维数值模拟。初长虹等5通过数值模拟，分析了某泵站不同淹没深度下进水口的流场结构及涡流分布。张忠孝6基于CFD模拟技术，研究了不同工况下的泵站进水口旋涡水力特性。由于进水口结构变化不尽相同，因此运行时水力特性也各有特点。以引黄济临工程暗涵进水口为研究对象，采用数值模拟方法研究其水力特性，以期为工程的运营和维护提供理论指导。2进水口概况引水暗涵是水库和进水池的主要连接建筑物，其形状和尺寸不仅影响水流流态，而且会对取水保证率和运营管理带来很大影响。施工过程中，在临库侧引水段，设置了钢板桩围堰，引水暗涵段明挖至高程1 714.0 m，开挖边坡1 0.5，现浇2.5 m2.5 m0.5 m（宽高厚）C30钢筋砼箱型结构，长度53.0 m。引水暗涵引水流量1.95 m3/s，取水枢纽设计运行水位为1 719.9 m，最低运行水位为1 717.0 m。考虑到95%取水保证率的要求，同时结合泵站上游进水管管顶以上最小淹没深度的要求，最终确定进水口底板高程为1 714.0 m，如图1所示。3数值计算模型3.1基本方程进水口的水流形式为三维不可压缩的湍流，选38用RNGk-湍流模型进行计算。相关运算方程为式（1）、式（2）。(k)t+(kui)xi=xj|keffkxj+Gk+（1）()t+(ui)xi=xj|effxj+C1kGk-C22k（2）式中：为连续相的密度；ui、uj分别为xi、xj方向上的速度分量；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项；k、分别为k、有效普朗特常数的倒数；C1、C2均为经验常数，分别取1.42、1.68。3.2VOF模型建立在数值模拟中，采用VOF方法对进水口的自由液面进行追踪，VOF方法根据计算区域内不同流体体积占据的相对比例，来确定自由液面的位置和形状。若令和w分别代表控制体积内的空气和水所占的体积分数，则在每个单元中，空气和水的体积分数之和为1，如式（3）。+w=1（3）其中，当w=1时，表示该单元体积完全充满水；w=0时，表示该单元体积完全被空气充满；当0w1时，表示该单元部分为水。水的体积分数w的控制方程为式（4）。wt+uiwxi=0（4）4几何模型及数值方法4.1几何模型及网格划分通过CAD软件建立进水口的三维几何模型，如图2（a）所示。在计算时，取设计运行水位1 719.9 m和较低运行水位1 717.5 m，即水深分别为5.9 m和3.5 m。1 719.9 m 时的水位在进水口台帽上部，1 717.5 m时的水位在台帽下部。计算区域上部取8.5 m，可以将进口分为水流进口和空气进口两部分，左右侧分别取暗涵中心18.0 m。进水口前设有翼墙，翼墙长度9.2 m，计算区域前部分取进水口前端50.0 m。引水暗涵长度53.0 m，计算时取40.0 m。采用六面体网格对整个区域进行划分，网格间距为0.35 m，共划分的网格数量为431 569个，如图2（b）所示。4.2离散格式与边界条件采用RNGk-方程湍流模型进行数值计算，压力与速度的耦合采用PISO算法，为了保证计算的精度，离散时压力相、动量相均采用二阶格式。库区水流入口边界条件设置为流速进口，流速大小根据暗涵水流的流速大小进行估算。库区入口上部分和计算区域上部分为空气入口，采用压力边界条件。出口采用流速出流边界，给定出口速度为-0.312 m/s。对于近壁区流动的计算采用标准壁面函数法。在设定边界条件时，给定边界上的湍动能k和耗散率，计算公式分别为式（5）和式（6）。40 cm厚绿滨垫块石护坡反滤土工布（350 g/m2）1 738.851 1.51 729.981 1.5原土翻夯2 1851 1.51 724.001 717.001 714.00水流方向引水暗涵段652橡胶止水带图1进水口及引水暗涵布置图（最低水位）原地面线1 717.001 714.00250cm、m第5期王开喜：引黄济临工程泵站深井式进水口三维数值模拟及流场分析第59卷39k=32(uI)2（5）=C3 43 2l（6）式中：I=0.05；C=0.09；l=0.07L，L为关联尺寸。通过计算，可以得出水流进口边界的湍动能 k=0.000 225，耗散率=1.91710-7；出口边界的湍动能k=0.000 225，耗散率=3.16910-6。5结果与分析5.1流态分析图3（a）为运行水位在1 719.9 m时，Y=0中心垂直截面流速矢量图。可以看出，进入进水口的水流主要受边界和进口翼墙的影响。根据水流方向，进入进水口的水流主要来自进水口前方和上方。尤其在上方受台帽的影响，在台帽后上方出现了扰流。进口处的水流较为平顺，未出现明显的旋涡和环流，整体上水流流态较好。但是，由于上部台帽扰流的影响，进入暗涵的流道束窄，在进入暗涵后流速方向调整较快，流线收缩，台帽下端有形成旋涡的趋势。从水力学角度考虑，进水口的设计较为合理，可以保证水流的平顺。将流速矢量图与类似的试验研究结果7相比，进水口的流态基本相似，数值模拟结果合理。图3（b）为运行水位1 717.5 m时，Y=0中心垂直截面流速矢量图。此时的运行水位在台帽下部，因此进入进水口的水流主要来自进水口的前方和上方，不存在后上方水流的影响。进入的水流较为顺畅，未出现回流或环流，水流流态较好。流态变化与运行水位1 719.9 m相比更好一些，主要原因是运行水位相对较低，进入的水流不受台帽扰流的影响，水流方向调整缓慢，故在进水口前、后水流都比较平顺。5.2流速分析图4（a）为运行水位1 719.9 m时，Y=0中心垂直剖面流速分布云图。可以看出，水流进入进水口前,由于翼墙和台帽的影响，导致流速分布不均匀；在翼墙前部分，流速较小，分布比较均匀。在进口前，由于翼墙的影响，逐渐变得不均匀，流速呈现逐渐增大的趋势，在进口断面处出现局部高速区。由于台帽上部部分水流要经过扰流进入进水口，在台帽下端出现了局部低速区，流速在接近台帽下段边缘处达到最小。根据流速矢量图可以看出，此区域并未出现旋涡，而经过进水口一定距离后，流速分布趋于均匀。图4（b）为运行水位1 717.5 m时，Y=0中心垂直剖面流速分布云图。在进口处受翼墙的影响，流速分布不均匀，在水平方向出现流速梯度，离进口越近，流速越大，在进口位置处出现局部高速区，流速梯度变化与运行水位 1 719.9 m 时相比要缓慢一空气进口水流进口计算区域引水暗涵进水口引水暗涵2.5 m2.5 mXYZ（a）几何模型XYZ（b）网格划分图2进水口三维模型（b）运行水位1 717.5 m图3进水口Y=0中心垂直截面流速矢量图（a）运行水位1 719.9 m2023年第5期甘肃水利水电技术第59卷40些。由于不受台帽扰流的影响，在进口后台帽下方未出现较大流速梯度。整体上流速变化要比运行水位1 719.9 m时缓和一些。5.3压力分析图 5（a）、（b）分别为运行水位 1 719.9 m 和 1717.5 m时，进水口Y=0中心垂直剖面压力分布图。可以看出，在整个进水口区域压力分布不均匀。上部压力较小，底部压力较大。从压力变化幅度来看，运行水位1 717.5 m的变化梯度比1 719.9 m时的变化梯度要小一些。5.4湍动能分析图 6（a）、（b）分别为运行水位 1 719.7 m 和1 717.5 m的湍动能分布图。可以看出，在运行水位1 719.9 m时，进入进水口水流的湍动能呈“先增大后减小”的趋势，在进口处湍动能最大。在运行水位1 717.5 m时，进水口处的湍动能变化与1 719.9 m时有所不同。原因主要是在运行水位1 719.9 m下，进入进水口水流经过台帽后，湍流运动剧烈，因此湍动能变化较大；在运行水位1 717.5 m时，水流的扰动较小，湍动能变化较为缓和。湍动能主要来源于时均流，通过雷诺切应力做功给湍流提供能量8。综合分析认为，在运行水位1 719.9 m时，进口中间部位从时均流中提取的能量较多，即时均流的能量在此区域损失较大。6结论通过采用CFD方法，对引黄济临工程泵站进水口进行三维数值模拟，分析了运行水位1 719.9 m和 1 717.5 m 时的流场变化情况，可以得出以下结论。（1）运行水位1 719.9 m时，在台帽上方出现扰流，进口处的水流较为平顺，未出现明显的旋涡和环流；进入暗涵后，在台面下端有旋涡形成的趋势。运行水位1 717.5 m时，不受台帽的影响，进入暗涵的水流较为平顺，流态变化相比1 719.9 m时要更好一些。（2）在两种运行水位下，进入暗涵的水流均出现流速梯度。运行水位 1 719.9 m 时的流速梯度比1 717.5 m时的要大，进入暗涵一段距离后，流速分布趋于均匀。在运行水位 1 717.5 m 的压力梯度比1 719.9 m时的压力梯度要小一些。0.500.450.400.350.300.250.200.150.100.050.00流速/（m/s）0.500.450.400.350.300.250.200.150.100.050.00流速/（m/s）（a）运行水位1 719.9 m（b）运行水位1 717.5 m图4进水口Y=0中心垂直剖面流速分布图5进水口Y=0中心垂直剖面压力分布50 00045 00040 00035 00030 00025 00020 00015 00010 000（a）运行水位1 719.9 m静压/Pa静压/Pa35 00030 00025 00020 00015 00010 0005 000（b）运行水位1 717.5 m0.004 50.004 00.003 50.003 00.002 50.002 00.001 50.001 00.000 50.000 0湍动能/（m2/s2）湍动能/（m2/s2）0.001 40.001 20.001 00.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0（a）运行水位1 719.9 m（b）运行水位1 717.5 m图6进水口Y=0中心垂直剖面湍动能分布（下转第45页）第5期王开喜：引黄济临工程泵站深井式进水口三维数值模拟及流场分析第59卷41冲-上麦冲岩溶水系统（YH-II-1-3-2），主要为泥盆系和石炭系的灰岩、白云岩，岩溶发育强烈，地表有溶洞、落水洞等岩溶形态出露，富水性较好，在可溶岩、非可溶岩地层接触带或断层带附近岩溶发育特别强烈。隧洞底板高程低于地下水位，施工过程中存在涌突水风险。（3）桩号YX25+545YX26+896 m段穿越轿顶山-大垴坡岩溶水系统（YH-II-1-3-1），主要为二叠系阳新组可溶岩，岩溶发育非常强烈，存在溶洞、落水洞、暗河管道等岩溶形态。隧洞围岩局部稳定性差，在地下暗河与隧洞相交位置附近，存在地下岩溶塌陷的可能。施工过程中可能会揭露出隐伏溶洞，需要特别重视洞壁变形、坍塌、岩溶塌陷等问题，及时做好隧洞围岩的支护。由于隧洞位于地下水位以下，开挖过程中可能存在地下暗河、管道等形式的涌突水、突泥、岩溶塌陷等灾害。施工排水可能会导致暗河出口重要泉点（黄营村黑龙潭泉、大龙潭泉等）产生减流现象，甚至出现疏干现象。同时，还存在地下水环境影响问题。（4）桩号 YX30+200YX31+000 m 段穿越桃园-长岭岗断层。受断层影响，地表的砂泥岩地层与下伏可溶岩将会贯通，断层带岩层相对较破碎，可能会发生较大规模的突（热）水、突泥。5结论通过对龙马山向斜地层岩性、地质构造进行分析研究，查明了向斜区域岩溶发育程度和岩溶地下水补给、径流和排泄特征，提出了小扑隧洞施工过程中发生涌突水灾害的危险段，得出的主要结论如下。（1）龙马山向斜出露的可溶岩地层中，P1y地层岩溶发育最为强烈，岩溶率达15%30%，其余可溶岩地层C1+2、D3、Zbdn和Zbd发育程度以中等为主，岩溶率5%20%。（2）通过分析地下水补给、径流和排泄条件，结合可溶岩地层发育程度和含水岩组富水性分析，龙马山向斜分水岭东侧为江城岩溶水系统（YH-1），进一步可以划分为蔡家庄岩溶水系统（YH-1-1）、西河岩溶水系统（YH-1-2）和祭天山-黄营岩溶水系统（YH-1-3），共3个级岩溶水系统。（3）小扑隧洞穿越西河岩溶水系统、下麦冲-上麦冲岩溶水系统、轿顶山-大垴坡岩溶水系统和桃园-长岭岗断层时，均可能发生隧洞涌突水。在YX25+545YX26+896段穿越轿顶山-大垴坡水系统（YH-II-1-3-1），岩溶发育强烈，隧洞开挖过程中可能存在地下暗河、岩溶管道等形式的涌突水、突泥、岩溶塌陷等灾害，施工危险性较高，须加强防护。参考文献：1樊燏，常威，魏世毅，等.聚龙山向斜三叠系含水层岩溶发育史及地下水流场控制意义J.地质科技通报,2022,41（5）：377-385.2李东黎.褶皱发育区岩溶水系统发育特征及隧道突水灾害预测J.资源环境与工程,2014,28（5）：697-702.3屈科，许模，徐则民，等.圆梁山隧道毛坝向斜段典型岩溶现象及发育分布特征J.地质灾害与环境保护,2001,12（1）：43-47.4杜宇本，张强，蒋良文，等.街子坡向斜岩溶水系统及隧道涌突水危险性研究J.铁道工程学报,2009,26（12）：60-64.5朱海明，许模，黄勋，等.玉溪市安化向斜地下水径流模式剖析J.南水北调与水利科技,2016,14（5）：178-183.（3）湍动能变化表明，在运行水位1 719.9 m时，受台帽的影响，对水流扰动较大，湍动能变化较大；在运行水位1 717.5 m时，湍动能变化相对缓和一些。参考文献：1Brocard D N,Beauchamp C H,Hecker G E.Analytic predictions of circulation and vortices at intakesJ.Electric PowerResearch Institute,1983,36（8）：1199-1208.2Smith E A,Pongjet P.Numerical prediction of vortex flowand thermal separation in a subsonic vortex tubeJ.Journalof Zhejiang University Science,2006,7（8）：1406-1415.3赵永志,顾兆林,郁永章,等.盆池涡涡动过程数值研究J.水利学报,2002,47（12）：1-6.4曹婷,曾莹,张贵金,等.东坪水电站进水口流态改善技术方案模拟研究J.水电能源科学,2018,36（2）：121-123.5初长虹,刘超,孙玉民,等.泵站进水口淹没深度对漩涡的影响J.南水北调与水利科技,2019,17（6）：178-186.6张忠孝.复杂工况下泵站进水口水力特性研究J.水利科技与经济,2022,28（4）：41-44.7王波.电站进水口联系梁对水流影响的三维数值模拟研究D.武汉：长江科学院,2013.8张建伟,程龙,冯颖,等.水平三向撞击流反应（混合）器内湍流数值模拟研究J.沈阳化工大学学报,2015,29（3）：263-267.（上接第41页）第5期苏 婷，等：龙马山向斜岩溶水文地质特征及隧洞工程涌突水分析第59卷45