魏村枢纽双向泵站X形流道进口有害涡消除措施研究

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魏村枢纽工程为水利与航运结合的大型工程。该枢纽工程采用船闸、节制闸和双向泵站并列布置的形式,泵站中心线与河道中心线相距较远,水流由河道流向泵站前池需作较大幅度转弯,水流条件复杂。闸站并列布置的水利枢纽工程在泵站运行时,进入泵站前池水流的流动方向与前池中心线存在一定夹角,易导致泵站前池产生横向流速,严重时将产生吸气涡带,影响水泵机组的安全稳定运行。因此需采用一定的工程措施消除进水流道进口处有害涡,并同时尽可能提高流道进口断面的流速分布均匀度与水流平均角度,以保证水泵机组获得良好的进水条件。本文以魏村枢纽工程双向泵站的前池为研究对象,运用三维数值模拟软件Fluent,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型对该双向泵站排涝与引水工况时的前池流动进行三维湍流流场数值模拟,在对泵站前池原方案不同开机组合时前池流场进行分析的基础上,提出了采用隔墙和隔板相结合消除流道进口有害涡的措施并进行了数值模拟研究。本文具体研究成果如下:(1)魏村枢纽工程双向泵站前池原方案不同开机组合时各水泵机组进水流道进口前均出现较大的横向流速和不同程度的立轴旋涡,这种旋涡严重时极有可能挟带空气进入水泵机组,影响水泵机组的安全稳定运行。受流道进口前横向流速影响,排涝工况时各机组进水流道进口断面的流速分布均匀度在71.38%~86.61%之间,水流平均角度在79.11%~87.97%之间,5台机组全开时靠近节制闸侧1#机组进水流道进口断面的流速分布均匀度最低,2#机组进水流道进口断面的水流平均角度最低。引水工况时各机组进水流道进口断面的流速分布均匀度在79.83%~87.27%之间,水流平均角度在86.74%~88.87%之间,当只开启5#机组时其进水流道进口断面流速分布均匀度与水流平均角度最低。(2)将清污机桥墩与对应机组间的隔墩相连形成隔墙,5台水泵机组全开时各进水流道进口断面的水流平均角度在86.68%~88.19%之间,较原方案明显提高;在各水泵机组进水流道前设置隔墙有利于减小横向流速,但进水流道进口前上方仍存在立轴涡。(3)缩短节制闸与泵站之间导流隔墙的长度,可以减小位于泵站侧导流隔墙头部旋涡区的范围,将导流隔墙头部缩短至与清污机桥桥墩齐平时,可消除该旋涡;在2台单向水泵机组对应的清污机桥桥墩前设置导流墩,可有效提高单向机组进水流道进口断面的流速分布均匀度与水流平均角度,但进水流道进口前上方仍存在立轴涡。(4)竖向隔板的水平位置、底高程和水平倾角对进水流道进口前的流态影响显著;随着竖向隔板距进口流道进口断面距离的增加,各进水流道进口断面的水流平均角度均有所增加但流速分布均匀度下降,同时各进水流道进口前上方立轴涡的范围减小,当竖向隔板距进水流道进口断面距离为12m时,各水泵机组进水流道进口前上方的立轴涡消除;不同竖向隔板底高程时进水流道进口前上方均不存在立轴涡,随着底高程的抬高,流道进口断面流速分布均匀度增大但水流平均角度下降,底高程-1.38m时流道进口断面水流平均角度基本不变、流速分布均匀度较好;不同隔板水平倾角时进水流道进口前上方均不存在立轴涡,减小隔板水平倾角可有效提高流速分布均匀度但对水流平均角度提升较小,当水平倾角为30°时,进水流道进口断面流速分布均匀度较好;在双向泵站前池内增设隔板对作为出水流道时的水头损失影响较小。(5)对魏村枢纽双向泵站排涝和引水工况不同开机组合时的前池建议方案的流态进行了三维流动数值模拟,结果表明:本文提出的前池流态改善建议方案在不同开机组合情况下可以实现消除立轴有害旋涡、保证水泵机组稳定运行的目标。本文对魏村枢纽工程闸站并列布置泵站进水流道进口有害涡消除措施的研究,对类似水利枢纽工程具有重要的参考意义。
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