应用清污机桥桥墩导流改善闸站结合泵站进流流态的方法技术

本发明专利技术提供一种应用清污机桥桥墩导流改善闸站结合泵站前池流态的方法，属于泵站工程技术领域，包括在闸站结合泵站下游两侧导流墙前端设置清污机桥，清污机桥采用多个墩墙式桥墩支撑；前池中部采用直列桥墩，桥墩与前池纵向中心线平行；外侧桥墩相对于前池纵向中心线两两对称，采用“八”字形桥墩，桥墩水平中心线顺水流方向向外侧偏转，调整水流流向轴向、流速均匀，以减小前池低速区为目标，通过对泵站下游特别是前池水流场的CFD数值计算和分析，优选出各组对称“八”字形桥墩偏转角，极大地改善了前池流态，低速区面积比例由10％以上减小到1％以下，避免了泥沙淤积，消除了边侧机组进水流道进口偏流，提高了泵装置能效。提高了泵装置能效。提高了泵装置能效。

【技术实现步骤摘要】
应用清污机桥桥墩导流改善闸站结合泵站进流流态的方法


[0001]本专利技术属于泵站工程
，尤其是针对泵站
‑
水闸结合工程，涉及一种应用清污机桥桥墩导流改善闸站结合泵站进流流态的方法。

技术介绍

[0002]我国平原地区的大型河道通常要求具有行洪、通航、提水灌溉功能，需要建设分段控制水位的节制闸和泵站。为节省土地和工程建设费用，通常拦河建坝，在坝身并联布置节制闸和泵站，形成水利枢纽。为保证水流对称，通常将泵站布置在拦河坝的中部，两侧对称布置水闸，在泵站下游两侧与水闸分界处，设置导流墙，保证泵站进流流态。
[0003]但实际上，闸站结合泵站，由于泵站下游两侧导流墙前的过流断面很宽，包括两侧水闸段，流动从很宽的断面突然收缩到两导流墙之间的前池区域，致使前池靠近导流墙的两侧区域产生较大的低速漩涡区、两侧机组进水流道进口前产生较大的横向流动，前池内流动极不均匀、非轴向，形成较大区域的泥沙淤积，影响泵站效能特性。因此，急需专利技术一种技术，改善站闸结合泵站前池流态，消除泥沙淤积，提升泵站效能。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是克服常规设计的闸站结合泵站前池存在大面积漩涡低速区、边侧进水流道前存在较大的横向流速，造成前池大面积泥沙淤积和泵装置能量特性低下的缺陷，针对泵站进口需要设置清污机桥安装拦污栅和清污机的特点，提出一种在闸站结合泵站下游导流墙前端设置清污机桥、优化桥墩方向，达到导流改善泵站前池流态的方法，从而避免前池泥沙淤积，提升泵站效能。
[0005]为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种应用清污机桥桥墩导流改善闸站结合泵站进流流态的方法，包括以下步骤内容：
[0007]A.闸站结合泵站下游仅设置导流墙——方案一的前池流动CFD计算分析：
[0008]泥沙的止动流速是泥沙在水流中由运动到静止的临界水流流速，其计算公式如下：
[0009][0010]式中：U
S
为泥沙止动流速，m/s；ρ
s
为泥沙密度，kg/m3；ρ为清水密度，kg/m3；g为重力加速度,m/s2；d为悬沙中值粒径，m。
[0011]泥沙的起动流速是水流作用下河床面上的泥沙由静止转入运动时的临界水流流速，其计算公式如下：
[0012][0013]式中：U
e
为泥沙起动流速，m/s；h为平均水深，m；ρ
s
为泥沙密度，kg/m3；ρ为清水密度，kg/m3；g为重力加速度,m/s2；d为悬沙中值粒径；m。
[0014]以闸站下游扩散段前5
‑
8倍水深长度位置平直河道过流断面为进口断面、泵站所有运行机组进水流道直段断面为出口断面作为水体部分计算域，计算域还包括水面以上2m高度的空气域；使用Mesh对计算域进行非结构网格划分，原型全局最大尺寸不超过1m，在计算域进口和出口及水面进行加密，网格数需要满足无关性验证。
[0015]计算域进口给定质量流量，出口给定质量流量，固壁边界设置为无滑移壁面。
[0016]计算模型考虑重力影响，对泵站下游计算域水流进行CFD(Computational Fluid Dynamics)计算，水面采用VOF(Volume of Fluid)方法捕捉，对计算结果进行后处理，得到计算域包括泵站前池在内的水流流速与流线分布，观察前池内流态，应用公式(1)判别前池内泥沙淤积区的位置和面积大小，应用公式(2)判别前池有泥沙淤积不能冲走的区域位置和面积大小。前池泥沙淤积严重程度用淤积面积占前池面积的百分比表示，应用公式(3)计算前池低速淤积区比例：
[0017][0018]式中：λ为前池流速低于泥沙止动流速的低速区面积比例；A
l
为导流墙内侧前池低速区面积，m2；A
t
为导流墙内侧前池总面积，m2。
[0019]泵站所有机组运行时，方案一前池流态紊乱，导流墙内侧存在大范围的低速漩涡区，低速漩涡区流速低于泥沙止动流速，会产生泥沙淤积；前池两侧低速区回流挤压主流，致使除中间机组外，两侧机组进水流道进流侧向偏流严重。
[0020]B.闸站结合泵站进口清污机桥布设位置选择——布设在下游导流墙前端：
[0021]拦河布置在河道上的泵站，清污机桥布设位置有三个选择：一是设置在每台水泵机组进水流道进口，一台机组配一台清污机。但该方案拦污阻力会直接影响泵装置进流流态和性能，现已很少采用；二是布置在泵站下游引河河道断面上，这是目前拦河布置泵站的普遍做法。但对于闸站结合泵站，清污机桥如果布置在引河河道上，枢纽开启闸门泄洪倒流时，水流方向与泵站抽水时水流方向相反，水流流量大，来流污物量大，会反向堵塞拦污栅，由于清污机不具备反向拦污清污功能，泄洪时必须将拦污栅和清污机吊起来不拦截水中污物，大大增加了工程设备成本和运行管理难度。不仅如此，在泵站转为抽水工况时，清污机桥与泵站之间的河道中的水草等污物会随水流流动进入水泵造成堵塞，轻则减小水泵流量，重则打断叶片，严重影响了水泵机组的运行安全；为解决上述问题，在泵站前池两导流墙头部之间布设清污机桥，安装拦污栅和清污机，阻止抽水时水中污物进入水泵并及时清除，避免对节制闸泄洪的影响。同时，清污机桥采用墩墙式桥墩，桥墩头部和尾部采用阻力小的流线型，相对于前池纵向中心线对称布置，应用清污机桥桥墩导流，调整水流流向轴向、流速均匀，改善前池流态。
[0022]C.闸站结合泵站下游导流墙前端布设清污机桥，清污机桥采用直列桥墩——方案二导流改善前池流态计算及效果：
[0023]由于闸站结合泵站下游两导流墙之间的前池两侧区域的漩涡是导流墙前的水流进入导流墙区域后过流断面突然减小斜向进流、引起主流收缩造成的，在导流墙前端设置直列桥墩，直列桥墩顺主流方向，其长度方向与桥面长度方向垂直，与导流墙平行，有利于
阻止前池进流收缩，迫使水流趋向沿前池轴向的均匀流动，从而改善前池流动。
[0024]应用步骤A的方法，对泵站下游水流计算域进行CFD计算，对计算结果进行后处理，得到两导流墙之间的前池内的流线和流速分布，计算流速小于泥沙止动流速区域面积的比例，观测水泵进水流道进口前的流向，与未设置清污机桥相比，前池内低速区面积比例显著减小，进水流道进口偏流明显改善。
[0025]D.闸站结合泵站下游导流墙前端布设清污机桥、清污机桥优选的“八”字形桥墩——方案三确定方法及改善流态效果：
[0026]考虑到方案二泵站下游导流墙前端清污机桥的直列桥墩有较大间距，由于进口水流向中部汇聚的惯性，直列桥墩并不能完全消除前池进流向中部汇聚的现象，在前池两侧仍然存在较大面积的低速漩涡区。为进一步减小或消除前池两侧低速漩涡区，以前池水平纵向中心线为基准，将两侧对称直列桥墩绕桥墩垂直中心线顺水流方向向外侧偏转一定角度，前池纵向中心线两侧两个对称桥墩偏转角度相等、偏转方向相反，面向来流方向从上往下看，前池纵向中心线左侧桥墩顺时针偏转，右侧桥墩逆时针偏转，对称桥墩呈“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用清污机桥桥墩导流改善闸站结合泵站进流流态的方法，其特征在于，包括以下步骤内容：A.提供方案一：闸站结合泵站下游仅设置导流墙；对该方案一的前池流动进行CFD计算分析：泥沙的止动流速是泥沙在水流中由运动到静止的临界水流流速，其计算公式如下：式中：U
S
为泥沙止动流速，m/s；ρ
s
为泥沙密度，kg/m3；ρ为清水密度，kg/m3；g为重力加速度,m/s2；d为悬沙中值粒径，m；泥沙的起动流速是水流作用下河床面上的泥沙由静止转入运动时的临界水流流速，其计算公式如下：式中：U
e
为泥沙起动流速，m/s；h为平均水深，m；ρ
s
为泥沙密度，kg/m3；ρ为清水密度，kg/m3；g为重力加速度,m/s2；d为悬沙中值粒径；m；以闸站下游扩散段前5
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8倍水深长度位置平直河道过流断面为进口断面、泵站所有运行机组进水流道直段断面为出口断面作为水体部分计算域，计算域还包括水面以上2m高度的空气域；对计算域进行非结构网格划分，在计算域进口和出口及水面进行网格加密，网格数满足无关性验证；计算域进口给定质量流量，出口给定质量流量，固壁边界设置为无滑移壁面；计算模型考虑重力影响，对泵站下游计算域水流进行CFD计算，水面采用VOF方法捕捉，对计算结果进行后处理，得到计算域包括泵站前池在内的水流流速与流线分布，观察前池内流态，应用公式(1)判别前池内泥沙淤积区的位置和面积大小，应用公式(2)判别前池有泥沙淤积不能冲走的区域位置和面积大小；前池泥沙淤积严重程度用淤积面积占前池面积的百分比表示，应用公式(3)计算前池低速淤积区比例：式中：λ为前池流速低于泥沙止动流速的低速区面积比例；A
l
为导流墙内侧前池低速区面积，m2；A
t
为导流墙内侧前池总面积，m2；B.闸站结合泵站进口清污机桥布设在下游导流墙前端：在泵站前池两导流墙头部之间布设清污机桥，安装拦污栅和清污机，阻止抽水时水中污物进入水泵并及时清除，避免对节制闸泄洪的影响，同时，应用清污机桥桥墩导流，调整水流流向轴向、流速均匀，改善前池流态；C.提供方案二：闸站结合泵站下游导流墙前端布设清污机桥，清污机桥采用直列桥墩；在导流墙前端设...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇宝云，赵通，严天序，滕海波，王铁力，刘木秀，黄先北，戚桂鹏，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：