考慮河道影響的泵站進水前池水力優(yōu)化設計研究

摘要：軸流泵站在平原地區(qū)灌溉排水、城市供水及防洪等領域應用廣泛，但現(xiàn)有對泵站的設計普遍基于前池進口入流均勻的假設，未能充分考慮河道引水至前池過程中的非穩(wěn)定流動性。文章采用CFD（計算流體動力學）技術對某軸流泵站前池進行水力優(yōu)化研究，通過建立河道與前池的耦合模型，分析在河道與泵站前池主流方向呈垂直布局的情況下，河道對前池水力性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在此布局下，前池水力損失有所增加，但軸流泵裝置轉輪進口處的軸向速度均勻度和速度加權平均角受到的影響較?。辉鲈O底坎的措施能穩(wěn)定前池流動性，減少水力損失，同時改善軸向速度均勻度和速度加權平均角。

關鍵詞：泵站；流道；河道；水力優(yōu)化；底坎

中圖分類號：TV136.2；TV675" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）08-0074-03

0 引言

軸流泵作為常見且重要的水力機械設備，廣泛應用于工農業(yè)生產、城市供水系統(tǒng)、 水處理工藝及能源領域，具有水力效率高、體積小和結構相對簡單的特點。 進、出水流道的結構優(yōu)化對于提升軸流泵的運行效率和穩(wěn)定性至關重要。進水流道的幾何結構能直接影響葉輪進口流速的均勻性，而合理的出水流道設計則能確保水流平穩(wěn)地導向上游水道，并有效回收水流動能。如果進、出水流道未能達到水力設計要求，可能會引發(fā)葉輪進口流速分布不均、出水流道內水流紊亂和漩渦的產生等問題。這些問題不僅會降低泵裝置的運行效率，還可能引發(fā)汽蝕、噪聲和劇烈振動［1-2］，對泵站機組的安全、穩(wěn)定運行構成威脅。為了提升前池流態(tài)性能，研究者們提出了多種整流方案，如設立導流墩、底坎、立柱、壓水板和隔板等結構［3］。營佳瑋等［4］基于VOF模型（即流體體積分數(shù)模型），探索立柱與底坎相結合的整流方案，該方案有效改善了前池兩側的回流狀況，驗證了復合整流相較于單一措施更具優(yōu)越性。馮建剛等［5］采用“八”字形導流墩與底坎組合，改善了泵站前池流態(tài)，提升了進水池進流的均勻性和泵站的性能。陸偉剛等［6］利用數(shù)值模擬技術，深入分析了設置立柱、導流墩、底坎及隔墩等整流措施對某排澇泵站前池流態(tài)的具體影響，為排澇泵站的設計和優(yōu)化提供了科學依據(jù)。李志祥等［7］采用響應面法優(yōu)化底坎的高度與間距，顯著提升了排水泵站前池的流態(tài)質量。綜上，設置底坎作為常見的前池整流措施，不僅可以獨立應用，改善泵站前池流態(tài)，也能與其他整流措施聯(lián)合。底坎的形式多樣，包括倒“T”形、鏤空式等［8-9］，可根據(jù)實際需求選擇和應用。

本文以浙江省寧波市建莊排澇泵站為研究案例，采用 CFD 技術對泵站進水流道進行結構優(yōu)化，以提升水力性能。通過多方案對比與分析，篩選出最優(yōu)的流道優(yōu)化方案。鑒于建莊泵站進水流道與河道呈垂直布局，本文還將利用 CFD 技術驗證垂直河道對泵站水力性能的影響。本研究不僅為建莊泵站的流道優(yōu)化提供了科學依據(jù)，也為其他面臨類似情況的泵站提供了有價值的參考。

1 工程概況

建莊排澇泵站位于浙江省寧波市海曙區(qū)新黃隘河附近，主要承擔內河澇水排除任務。該泵站設計流量為20 m3/s，總裝機容量達到2 130 kW。泵站采用井筒式結構，上游配備檢修閘門，出水管道設置了 DN1800規(guī)格的電動蝶閥，并在出口處設置了拍門，從上游至下游，泵站依次布設了灌砌石護坦、進水前池、進水池（含交通橋）、泵房及出水管道。排澇工程設4臺主機組、2臺事故備用機組，備用機組規(guī)模同主機組。機組選用1400QZ-100D型潛水軸流泵，配套同步電機的單機功率為355 kW，額定電壓為10 kV。建莊泵站進水流道剖面圖見圖1。

2 建立數(shù)值模型

2.1 控制方程及湍流模型

在數(shù)值模擬計算過程中，詳盡地考量了泵站前池和進水池的水流特性，將其設定為三維、不可壓縮且無能量交換的黏性湍流模型。經過深入研究和論證，本次模擬選定連續(xù)性方程與動量守恒方程作為核心控制方程，以確保模擬結果的準確性。離散方法采用有限體積法，該方法的優(yōu)點在于能夠準確捕捉水流的細節(jié)變化，同時保證計算的穩(wěn)定性和收斂性。針對湍流問題，采用雷諾平均法進行處理，通過應用標準湍流模型，可以準確地模擬水流中的湍流現(xiàn)象，從而進一步提升模擬結果的精度和可靠性。為確保模擬結果的準確性，設定計算精度閾值為10-5。

2.2 計算域模型

本文計算域主要包括河道、進水前池及進水流道。利用UG三維建模軟件進行建模見圖2。

2.3 網(wǎng)格劃分

非結構化網(wǎng)格是一種特殊的網(wǎng)格類型，具有極高的靈活性，生成速度快且網(wǎng)格自適應程度高，可為模擬提供更高的精度和準確性。由于本文研究對象的幾何結構復雜，傳統(tǒng)的結構化網(wǎng)格可能難以準確描述其細節(jié)特征，因此選用了四面體非結構化網(wǎng)格進行模型劃分。此外，針對進水前池部分進行了網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格劃分采用ICEM軟件完成，最終生成的網(wǎng)格數(shù)量約為300萬個。

2.4 邊界條件

本文計算域部分包括固體邊壁、進水池進口斷面及出水池出口斷面，各邊界條件設定如下。

（1）進口邊界條件。以河道進口斷面為模擬起點，采用質量進口邊界條件設定進口處的質量流量，以準確反映真實環(huán)境中的流體流動狀況。

（2）出口邊界條件。泵段出口斷面處采用壓力出口邊界條件，模擬流體在出口處的壓力動態(tài)變化。

（3）壁面條件。將泵裝置涉及的河道和進水流道視為靜止壁面進行處理，采用無滑移條件模擬流體在這些壁面上的流動情況。此外，在近壁區(qū)域，利用壁面函數(shù)描述流體與壁面之間的相互作用，確保模擬結果的準確性。

在流道優(yōu)化設計過程中，為得到良好的水力性能，需根據(jù)CFD數(shù)值模擬結果，不斷調整流道的基本參數(shù)，以優(yōu)化流道的型線。本文采用增設底坎的方式進行優(yōu)化，根據(jù)底坎不同的設置位置，設定了方案a和方案b兩種優(yōu)化路徑。底坎的具體尺寸為高1 000 mm，寬300 mm。優(yōu)化方案示意圖見圖3。

3 泵站前池優(yōu)化分析

3.1 原方案模擬分析

圖4為原方案進水流道流速與流線圖，在無河道影響的情況下，水流順利進入前池后，流速穩(wěn)定均勻，直至進入水流道時流速突然變大。觀察流線圖發(fā)現(xiàn)，泵站進水平滑，流線均勻穩(wěn)定，未出現(xiàn)漩渦和回流等不良流態(tài)；有河道影響后，流入前池的水流流速整體均勻穩(wěn)定且高速區(qū)域有所減緩；入口處雖然有小漩渦形成，但是很快消散，未對后續(xù)流動造成干擾，流線整體比較均勻。

為定量檢驗進水流道優(yōu)化方案的效果，根據(jù)數(shù)值模擬結果，采用計算單元面積加權的方法計算進水流道出口的軸向流速分布均勻度（Vzu）與加權平均角（θ）。結果表明，Vzu數(shù)值越大，斷面軸向流速分布越均勻，而θ越接近90°，出口水流越接近垂直于出口斷面，出水條件及流道優(yōu)化效果更顯著。表1為原方案優(yōu)化結果，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，考慮河道影響后，水力損失明顯增大，但速度加權平均角和軸向速度均勻度均有所提升，證實垂直河道布局對泵站泵裝置入流造成了明顯的不利影響。

3.2 增設底坎模擬分析

底坎的設置能有效減少水流在進水流道入口產生的漩渦，有利于水流更順暢地進入泵段。圖5為底坎方案進水流道流速與流線圖。如圖5所示，方案a中水流越過底坎后，速度雖短暫提升，但流線圖中僅在入口處見到微小漩渦，推測為河道與流道之間壓差所致，該漩渦迅速消散，未對后續(xù)流態(tài)造成影響，整體流線保持平滑；相較于方案a，方案b的流速圖中流線更集中，流態(tài)更穩(wěn)定，并且未出現(xiàn)明顯的高速區(qū)。這可能與底坎設置于坡道處有關，使得流速整體更為均勻、穩(wěn)定。

表2為底坎方案優(yōu)化結果，表2中的數(shù)據(jù)顯示，方案a的水力損失小于方案b，并且小于原方案。設置底坎后，無論是方案a還是方案b，其速度加權平均角和軸向速度均勻度均大于原方案，表明流態(tài)改善顯著。總之，方案a和方案b結果相差不大，但方案a略優(yōu)。

4 結論

本文針對軸流泵站前池的水力優(yōu)化問題開展研究，通過構建河道耦合泵站前池的三維幾何模型，系統(tǒng)地分析了河道垂直布置于泵站前池以及在前池內增設底坎對前池水力性能的影響。研究得出以下結論。

（1）當河道垂直接入泵站前池時，雖然前池因河道入流而承受的水力損失會有所增加，但是該變化對軸流泵裝置轉輪進口處的軸向速度均勻度和速度加權平均角的負面影響較小。

（2）通過在前池內增設底坎，不僅優(yōu)化了泵站內的流速均勻性與流態(tài)穩(wěn)定性，還顯著降低了水力損失，對提升泵站整體運行效率具有積極作用。

5 參考文獻

［1］戴景，劉雪芹，袁聰，等.斜式泵裝置負揚程飛逸過渡過程內部流動特性分析［J］.水電能源科學，2022，40（6）：122-126.

［2］郭繪娟，方國材，胡大明，等.基于有限元大型豎井貫流泵軸系強度及穩(wěn)定性分析［J］.水電能源科學，2022，40（5）：169-173.

［3］呂和品.鳳凰頸新站前池水力特性及優(yōu)化措施研究［D］. 揚州：揚州大學，2022.

［4］營佳瑋，俞曉東，賀蔚，等.基于流體體積模型的泵站前池流態(tài)及組合式整流方案［J］.排灌機械工程學報，2020，38（5）：476-480，493.

［5］馮建剛，錢向棟，張睿.城市輸水泵站前池流態(tài)及整流措施［J］.水利水電科技進展，2018，38（2）：77-83.

［6］陸偉剛，孫晨光，徐波，等.某排澇泵站前池整流措施的數(shù)值模擬研究［J］.水電能源科學，2020，38（3）：90-93.

［7］李志祥，馮建剛，錢尚拓，等.排水泵站整流底坎參數(shù)優(yōu)化［J］.農業(yè)工程學報，2021，37（3）：56-63.

［8］夏臣智，成立，焦偉軒，等.泵站前池倒T形底坎整流措施數(shù)值模擬［J］.南水北調與水利科技，2018，16（2）：146-150，163.

［9］楊旭，奚斌，魯儒，等.鏤空式整流底坎對側向進水泵站前池流態(tài)的影響［J］.水電能源科學，2020，38（7）：161-164，180.