城市綜合排水泵站前池流態(tài)的數(shù)值模擬研究

袁樹明

(東莞市運(yùn)河治理中心，廣東 東莞 523000)

1 相關(guān)數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

本文以某市的排水泵站工程項(xiàng)目作為實(shí)證研究對象，該泵站在建設(shè)后期共有3臺立式軸流機(jī)組，正向矩形箱涵式進(jìn)水為該站前池的主要進(jìn)水方式，在其矩形箱周圍的水流擴(kuò)散角度約為40°，以縱向角度而言，處于坡底處的坡度總值為0.354，面向泵站的總體累計(jì)長度為11.26 m，在進(jìn)水池前端周圍分布了3臺作業(yè)水泵，各進(jìn)水池之間通過隔墩進(jìn)行分離。

1.1 控制方程

在實(shí)際泵站的作業(yè)過程中，經(jīng)前池處理過后的污水處于較為洶涌的湍流狀態(tài)，其雷諾系數(shù)相較于104通常更大，其流動方式主要為不可壓性流動方式。本文創(chuàng)新性地將雷諾時(shí)均方程同具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)性質(zhì)的k-ε紊流模型方程式相融合，通過導(dǎo)入具體的參數(shù)數(shù)值，可以得到面向不可壓水流的控制展現(xiàn)方式[1-3]。在本文中，連續(xù)性方程的計(jì)算參數(shù)與構(gòu)成部分可用式(1)表示,動量方程如式(2)，紊動能方程如式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：ui、uj分別為在i、j方向下速度矢量所表現(xiàn)出的分散數(shù)值；xi表征笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)具體刻度范圍；gi為在i方向下表現(xiàn)出的質(zhì)量力數(shù)值；ρ為水密度；p為處于流體微元素上側(cè)的水流槽向壓力；v為面向水流動態(tài)運(yùn)動過程中所體現(xiàn)的黏度系數(shù)；k為水流自身的紊動動能量；ε為水流紊能的耗散率；vt為水流的渦黏性系數(shù);σk為紊動能。

1.2 邊界條件參數(shù)

在對泵站前池相關(guān)數(shù)值動態(tài)模擬過程中，面向前池進(jìn)口段邊界周圍主要基于速度入口條件進(jìn)行計(jì)算，具體以水流進(jìn)口速度、湍流動能與耗散率的比值進(jìn)行表示；在進(jìn)口站邊界處的具體計(jì)算數(shù)值以自由出流數(shù)值作為邊界性計(jì)算條件，在計(jì)算過程中，水流梯度計(jì)算數(shù)值(以水平流動方向?yàn)槔?通過θ表征；將標(biāo)準(zhǔn)式壁面應(yīng)用于黏性底層作為函數(shù)處理標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.3 模擬數(shù)值計(jì)算方法

將面向計(jì)算對象的有限體積計(jì)算方式作為控制方程離散度的量化方式與分析標(biāo)準(zhǔn)，在控制體中心范圍處，同時(shí)融合水流動態(tài)壓力、湍動能、水流耗散率，計(jì)算方式選取壓強(qiáng)耦合算法，方程的求解則選用SIMPLEC算法。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬評價(jià)指標(biāo)

(1)面向前池兩斷面水力損失值hw的計(jì)算。借助三維數(shù)值模擬，可以具體計(jì)算得出參與計(jì)算水流處于動態(tài)流動范圍狀態(tài)下所呈現(xiàn)的水流湍動動能壓力擴(kuò)散情況，考慮到計(jì)算結(jié)果的代表性，本次研究僅選擇兩個(gè)斷面進(jìn)行實(shí)際模擬與演示，以客觀評估其水力損失值，進(jìn)一步構(gòu)建斷面具體的水力損失值情況，并將其作為本文研究中具體的評價(jià)指標(biāo)，見式(4)。

hw=E2-E1=

(4)

式中：hw為水力損失值；E1與E2為過水橋面1與過水橋面2處的整體性累積總能量計(jì)算數(shù)值；p1與p2為兩個(gè)斷面處處于靜態(tài)情景下的平均湍流動水壓強(qiáng)計(jì)算模擬數(shù)值；Z1與Z2為過水?dāng)嗝?、斷面2的形心點(diǎn)距基準(zhǔn)面的高度參數(shù)數(shù)值范圍；v1與v2為兩處斷面的水流均速。

(2)流速分布不均勻系數(shù)N的計(jì)算。排水泵站前端進(jìn)水池內(nèi)部的水流流態(tài)對水泵的整體工作性能產(chǎn)生直接影響，而面向進(jìn)水池進(jìn)口段的流速均勻情況進(jìn)行計(jì)算有助于為水泵的高效運(yùn)行提供參考。將排水泵站前池段擴(kuò)散結(jié)束后的斷面作為進(jìn)水池進(jìn)口典型的斷面示例，同時(shí)以該示例所蘊(yùn)含的流速不均勻系數(shù)作為對多孔口配水系統(tǒng)不同形式下前池流態(tài)優(yōu)化狀態(tài)評價(jià)的另一核心指標(biāo)，其計(jì)算如式(5)：

(5)

2.2 無整流措施情景下前池流態(tài)分析

處于無整流措施情景時(shí)，排水站前池處水流的平面流速分布情況見圖1。從該圖的計(jì)算模擬數(shù)值可知，在箱涵處于進(jìn)水狀態(tài)后，污水在箱中的主流方向?yàn)榍俺貐^(qū)域的中間位置，而處于前池兩端處的水流流動速度整體相對較小，在前池處還進(jìn)一步導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的區(qū)域回流現(xiàn)象，且回流面積整體涉及范圍較大，逐漸蔓延、過渡到邊緣壁壘區(qū)域，從而導(dǎo)致前池進(jìn)水段處所呈現(xiàn)的水流進(jìn)入速度不均勻，由上述數(shù)據(jù)可知，在該前池處的整體不均勻系數(shù)較高，污水進(jìn)流速度極其不均勻，阻礙了機(jī)組的工作效率，極易誘發(fā)泵站機(jī)組的突發(fā)性振動，降低機(jī)組的安全性能。

圖1 無整流措施情景下前池流態(tài)分析

2.3 在加設(shè)八字形導(dǎo)流墩后的整流效果

導(dǎo)流墩是十分普遍的常規(guī)工程措施，其主要的工程作業(yè)原理是通過不同角度的導(dǎo)流墩對污水的導(dǎo)流作用，實(shí)現(xiàn)對箱涵的分割與調(diào)整，進(jìn)而使其中存在的污水發(fā)生轉(zhuǎn)向，減少在前池平面處的擴(kuò)散角度，并于平面上方實(shí)現(xiàn)對水流的均化作用，有效消除處于前池處的壁面回流與水流偏流現(xiàn)象。前池導(dǎo)流墩的建設(shè)參數(shù)設(shè)置與前水池中水力條件兩者之間存在較為顯著的密切關(guān)聯(lián)，因此，前池進(jìn)水口周圍的建設(shè)參數(shù)設(shè)置較為敏感。

圖2中八字形導(dǎo)流墩的主要設(shè)置參數(shù)有導(dǎo)流墩處的墩頭布置位置L1以及L2，其中，L1表征兩墩頭間距數(shù)值、L2表征前池進(jìn)口處寬度數(shù)值(5.0 m)。由圖2可知，導(dǎo)流墩的初始布局位置起始于前池的進(jìn)口端處，并且采用對稱的配置方式。在設(shè)計(jì)過程中，考慮到對導(dǎo)流墩實(shí)際作業(yè)效能的影響，將前端端口間距同前池進(jìn)水口段間的模擬數(shù)值參數(shù)設(shè)定為0.24，以該參數(shù)情景出發(fā)，L1=1.2 m。分別設(shè)定處于不同參數(shù)情景下的導(dǎo)流墩夾角數(shù)值α，進(jìn)一步將其同導(dǎo)流墩長度l進(jìn)行整合計(jì)算，在得到上述數(shù)據(jù)后，面向該排水泵站前池段的實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算，由此分別求得排水泵站前端進(jìn)口斷面的流速分布不均勻系數(shù)以及前池兩處斷面的水力損失，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 在加設(shè)八字形導(dǎo)流墩后的整流效果

表1 前池相關(guān)數(shù)值模擬參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.4 排水泵站進(jìn)水池的流態(tài)分析

在現(xiàn)實(shí)的作業(yè)過程中，在進(jìn)水池前端端口的進(jìn)水方式、建筑規(guī)模與建筑的布局情況與具體的水流流速均會對水流形態(tài)產(chǎn)生一定程度的影響[4]。本文依據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)中的相關(guān)要求，對泵站前池處的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析。泵水站前池的建設(shè)要求主要為能夠保證池內(nèi)的水流流態(tài)良好，可以及時(shí)滿足水泵的進(jìn)水與排水要求，有助于更加方便地清理與維護(hù)淤泥。在正向進(jìn)水?dāng)U散前池處的臨界擴(kuò)散角度為20°～40°，根據(jù)該角度參數(shù)，前池處的擴(kuò)散角度應(yīng)與水流臨界的擴(kuò)散角相等或相比其更小，若不滿足該標(biāo)準(zhǔn)，則極其容易導(dǎo)致前池內(nèi)部出現(xiàn)脫壁回流現(xiàn)象。該排水泵站前端進(jìn)水池的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算數(shù)值具體如圖3～圖5所示。

圖3 進(jìn)水池流量矢量分布

圖4 H=2.8 m情景下流量矢量分布

圖5 前池表面速度等值線分布

根據(jù)上述各圖中所展現(xiàn)的參數(shù)情況，前池進(jìn)水口處階段性表現(xiàn)出一定范圍的區(qū)域壁面回流與水流漩渦，在水流漩渦的影響下，水流的逆向動能難以被有效地分散，相反的，其水流聚集現(xiàn)象較為顯著，并且存在沿著進(jìn)水端方向的動能壓縮現(xiàn)象，兩側(cè)的水流分布困難，中間處的流動速度較大，而整體壓力較小，因此，在流速與壓力具有一定數(shù)值差距的情況下，前池處的兩側(cè)便極易形成回流與漩渦，影響進(jìn)水池的結(jié)構(gòu)與作業(yè)安全性。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因?yàn)榍俺囟说恼w擴(kuò)散角度較大，但是相應(yīng)地，其長度較短，由此導(dǎo)致可供調(diào)整水流流態(tài)的空間十分有限，主流不能夠及時(shí)擴(kuò)散，前端的淤泥被后端的淤泥阻擋，由此在前池端口處產(chǎn)生回流區(qū)域與水流漩渦，基于上述情況需要對排水泵站前池的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

3 排水泵站前池進(jìn)水流態(tài)改善措施剖析

在面向排水泵站整體的建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)施布置范圍進(jìn)行設(shè)定時(shí)，如想要收獲較為滿意的進(jìn)水形態(tài)，則需要從兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，其一為消除大尺度回流現(xiàn)象；其二為使水流在前池的寬度上能夠進(jìn)行均勻地?cái)U(kuò)散。在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中，前池內(nèi)部的回流與漩渦現(xiàn)象主要誘發(fā)原因是排水泵站前池處進(jìn)口段邊壁的各邊界層之間存在分離流動現(xiàn)象，該點(diǎn)無論面向正向前水池抑或側(cè)向前水池都是相同原理。在前池進(jìn)水口處若要實(shí)現(xiàn)對水流流態(tài)的有效調(diào)整，本文綜合考慮上述因素，采取底坎整流的研究方案面向該泵站前池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)進(jìn)水前池的梯形底坎是面向進(jìn)水池前端進(jìn)水口最為普遍的整流措施。在設(shè)置底坎后能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)主要建設(shè)性作用，其一，可以實(shí)現(xiàn)面向入站水流的翻滾與旋轉(zhuǎn)，水流的持續(xù)、落差性翻滾會使坎后平面處出現(xiàn)回流幅度差值，因此，水流的能動性作用也會相應(yīng)增強(qiáng)，水流的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象被有效削弱，當(dāng)水流匯聚到前水池時(shí)，水流能夠保持均勻的流動狀態(tài)，底坎處的剩余水流動能被顯著削弱與保留，由此可見，增加了一定程度水頭損失的情況難以有效避免，但是從整體而言，水泵機(jī)組的整體裝置運(yùn)作效能要顯著高于這一附加條件下的水頭損失。此外，底坎所產(chǎn)生的消除回流的具體現(xiàn)實(shí)效果同水深間的比值具有正向關(guān)聯(lián)，合理的底坎設(shè)計(jì)可以有效地對水流漩渦強(qiáng)度與范圍進(jìn)行控制，由此削減回流強(qiáng)度。

(2)在本文中面向該水泵站前池的設(shè)計(jì)內(nèi)容具體如下：在距離吸水管5 cm處，于垂直進(jìn)水方向布置底坎，所布置底坎周圍的參數(shù)具體為：底部寬為1 m、下底處寬達(dá)2 m，高程至1 m。

(3)通過上述優(yōu)化方案，水流在實(shí)際的流動與處理過程中，可被阻擋于底坎兩側(cè)，并形成兩個(gè)各自獨(dú)立的紊動擴(kuò)散區(qū)域，基于上述動能擴(kuò)散區(qū)域，為水流的動態(tài)勢能提供了充足的協(xié)助力，能夠減少由于漩渦現(xiàn)象帶來的不良水力現(xiàn)象，防止出現(xiàn)較大幅度的區(qū)域性回流；部分水流在越過底坎后，經(jīng)由導(dǎo)流墩被有效分割與擠壓，進(jìn)一步于前池處出現(xiàn)紊動的擴(kuò)散現(xiàn)象。在本次面向泵站前池的參數(shù)數(shù)值模擬過程中，三維立體狀態(tài)下的水流動能特征表現(xiàn)得較為顯著，此外，在邊墻側(cè)面處呈現(xiàn)的水流流速也在瞬間呈現(xiàn)增大趨勢，并且在前池內(nèi)部的水流漩渦被極大程度的削弱，水池優(yōu)化基本實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語

本文以某市排水泵站為研究實(shí)例，對其前池參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值三維模擬。首先，提出了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法，具體包括：控制方程、邊界條件參數(shù)、模擬數(shù)值計(jì)算方法；其次，對泵站前池有關(guān)模擬數(shù)值進(jìn)行計(jì)算與分析，并著重分析了在加設(shè)八字形導(dǎo)流墩后的整流效果，同時(shí)，分析了排水泵站進(jìn)水池的流態(tài)；最后，在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，提出了排水泵站前池進(jìn)水流態(tài)改善措施。本文可以為城市綜合排水泵站的建設(shè)與維護(hù)提供有效參考。