蘇州某澇區(qū)排澇泵站進水流態(tài)研究

摘 要：水泵的進水條件極易受到前池和進水池池內(nèi)流態(tài)的影響，當池內(nèi)流態(tài)變得紊亂，會降低水泵效率從而導(dǎo)致排水效率降低，進而使洪水風(fēng)險升高，并且對周圍的地區(qū)造成嚴重破壞。本文以蘇州某澇區(qū)治理工程為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件對該工程在不同工作水位下進水泵站進水流態(tài)進行分析，計算該泵站在不同運行水位下的流速均勻度和速度加權(quán)平均角。結(jié)果表明：對不同的運行水位來說，前池出口斷面和進水池進水管前斷面的均勻性和平滑性都很差。對未進行流態(tài)優(yōu)化的泵站來說，其前池和進水池進水流態(tài)在不同的運行水位下，流態(tài)都比較紊亂，可根據(jù)具體泵站工程要求采取建造導(dǎo)流墩或隔板等措施來對泵站的前池和進水池進行流態(tài)優(yōu)化。該研究對同類泵站研究進水流態(tài)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：泵站；數(shù)值模擬；進水流態(tài)

中圖分類號：TV 675" 文獻標志碼：A

排澇泵站是為提高農(nóng)田抗御自然災(zāi)害的能力，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而興建的重要水利設(shè)施。排澇泵站工程的主要功能是排澇防范和減輕農(nóng)田受淹及缺水災(zāi)害。泵站的進水效率是排水系統(tǒng)中至關(guān)重要的因素。因此國內(nèi)針對進水泵站的分析一直是研究熱點。學(xué)者黃澤[1]用三維數(shù)值模擬方法對泵站進水流態(tài)進行研究，該研究對提高泵站穩(wěn)定性有十分重要的指導(dǎo)意義。學(xué)者常鵬程等[2]利用三維數(shù)值模擬軟件對泵站側(cè)向進水流態(tài)紊亂的問題進行了分析，與未整流的泵站相比，整流后的泵站效率提高了約10%。學(xué)者徐存東等[3]研究了多泥沙河流情況對泵站進水流態(tài)的影響，利用FLUENT軟件對多種進水泵站開機組合方案下的前池淤泥累積對進水流態(tài)影響進行數(shù)值分析，該研究為類似條件下的泵站設(shè)計提供了一定的參考價值。學(xué)者江文[4]基于FLUENT軟件對在彎道水流情況泵站前池引起進水流態(tài)紊亂情況進行分析，結(jié)果表明可以通過設(shè)置導(dǎo)流墩來有效調(diào)整彎道水流流向，提供泵站工作效率。學(xué)者羅海軍[5]研究了前池和進水池進水流態(tài)紊亂對城市排水泵站的影響，結(jié)果表明可以通過設(shè)置導(dǎo)流墩來改善泵站進水系統(tǒng)水流流態(tài)，以此提高泵站的工作效率。

1 工程概況

目前，蘇州市主汛期（6—8月）總降雨量將達到540mm以上，相較往年（504.4mm）偏多，暴雨出現(xiàn)次數(shù)多，強度大，對農(nóng)作物和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大，部分地區(qū)城市出現(xiàn)內(nèi)澇問題。根據(jù)該區(qū)域的流域降水特性以及區(qū)域歷年受澇情況和實際排澇運行調(diào)查資料，主排澇期定為6—8月。因此，選擇蘇州市某澇區(qū)作為研究對象，該澇區(qū)在生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的集約發(fā)展區(qū)，也是蘇州都市圈的重要組成，產(chǎn)業(yè)具有較強的發(fā)展動力，可以對接蘇州的交通、基礎(chǔ)設(shè)施等，成為生態(tài)經(jīng)濟區(qū)內(nèi)重要的產(chǎn)業(yè)集聚城市。因此蘇州某澇區(qū)治理工程是非常必要的。

2 數(shù)值計算

采用有限元軟件對蘇州某澇區(qū)排澇泵站的流態(tài)進行數(shù)值分析，排洪泵站的前池主要用于平順和擴散水流，將引渠和進水池合理地銜接起來，使水流平穩(wěn)且均勻地流入進水池，為水泵取水提供良好的吸水條件。為了更好地反映實際情況，針對該工程前池不同運行水位進水流態(tài)特性進行分析，并對蘇州某澇區(qū)排澇泵站進行三維建模。該模型包括3個部分：南引水渠、前池和北引水渠。前池共有4個進水池，進水池長9.6m，寬為3.5m。圖1為示意圖。對模型進行網(wǎng)格劃分，針對關(guān)鍵區(qū)域（進水口和出水口等）網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格選擇六面體網(wǎng)格。在保證模型準確性的前提下，盡可能簡化離散模型。進液體表明與空氣接觸平面設(shè)置為symmetry，其他面設(shè)置wall。水管出口斷面設(shè)置為自由出量。邊界采用無滑動邊界條件。紊流模型為RNG κ-ε模型，模型交界面設(shè)置為靜態(tài)交接面。在仿真過程中，可能還需要考慮其他因素，例如泵站的運行模式、水流的非恒定性、水體的溫變效應(yīng)等。通過有限元仿真方法，可以為排澇泵站的設(shè)計、運行和維護提供科學(xué)依據(jù)。

3 選取計算參數(shù)

為了更直觀地反映泵站進水流態(tài)的特點，分析流速均勻度和速度加權(quán)平均角。

流速均勻度是一種參數(shù)，用于描述流體的速度分布情況。它反映了流體在管道或流通區(qū)域內(nèi)速度的變化程度。通常是通過比較不同位置處的流體速度來衡量流速均勻度的，以此判斷流體在整個區(qū)域內(nèi)是否分布均勻。流速均勻度可以影響流體在管道、通道或設(shè)備中的性能和穩(wěn)定性，因此在工程和流體力學(xué)領(lǐng)域中非常重要。流速分布均勻通常更容易控制和預(yù)測，而流速分布不均勻可能導(dǎo)致流體流動不穩(wěn)定、能量損失或設(shè)備損壞。因此，在實際工程中，均勻流速狀態(tài)很關(guān)鍵。了解流速均勻度可以有助于工程師和研究人員設(shè)計和優(yōu)化流體系統(tǒng)，確保其運行效率和穩(wěn)定性。

速度加權(quán)平均角是一種用于描述流體運動方向的參數(shù)。它通常用來分析流體中各位置的速度向量間的關(guān)系以及流體的整體運動趨勢。速度加權(quán)平均角在進水流態(tài)分析中用來描述流體中速度向量的整體方向趨勢，可以量化流體在某一截面上速度矢量的方向分布，反映流體運動的某些特點，分析泵站進水流態(tài)的速度加權(quán)平均角對優(yōu)化泵站性能具有重要意義。為了更好地理解和分析流體流動行為，其過程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：Vau為軸向流速分布均勻度；va為平均法向速度；vai為各單元法向速度；vti為各單元橫向速度；θ為速度加權(quán)平均角；n為單元數(shù)量。

4 計算結(jié)果分析

4.1 設(shè)計運行水位泵站進水流態(tài)分析

設(shè)計水位是指在正常運行條件下，泵站進水口的水位高度。這個水位需要考慮泵站的最低有效運行水位和最高安全水位。運行水位是指在實際運行過程中，泵站進水口的實時水位。這個水位可能會受上游來水、下游排水、泵站運行模式等因素的影響。運行水位的波動可能會影響進水流態(tài)，例如產(chǎn)生回流、旋渦或流速分布不均。對設(shè)計運行水位來說，其泵站橫斷面前池面層、中層和底層的流態(tài)非常紊亂，存在面積很大的漩渦區(qū)和回流區(qū)?？拷?號進水池和4號進水池漩渦逐漸消失，前池內(nèi)底層3號和4號進水池流態(tài)相比，面層和中層更紊亂，回流區(qū)域相對較大。

為了更詳細地分析泵站進水流態(tài)特性，對不同位置的縱剖面（前池出口斷面位置和進水池進水管前斷面位置）的速度加權(quán)平均角和流速均勻度進行計算。前池出口位置計算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可得，4號進水池的流速均勻度最大，為68.9%，3號進水池的流速均勻度最小，為20.1%。4個進水池流速均勻度差值最小為14.5%，差值最大為48.8%，流速均勻度在4個進水池差值較大，因此流體在整個區(qū)域內(nèi)未呈均勻分布。對該泵站來說，在設(shè)計運行水位條件下，前池出口斷面流速均勻性不好。速度加權(quán)平均值差值最大可達29.9°，因此其進水流態(tài)平順性較差。

根據(jù)圖3可得，2號進水池的流速均勻度最大，為75.8%，3號進水池的流速均勻度最小，為55.7%。4個進水池流速均勻度差值最小為3.3%，差值最大為20.1%，與前池出口斷面流體均勻性相比好，但流速均勻度在4個進水池差值較大，因此流體在整個區(qū)域內(nèi)未均勻分布。在設(shè)計運行水位條件下，該泵站進水池進水管前斷面流速均勻性不好。其速度加權(quán)平均角差值最大為16.2°，因此其進水流態(tài)平順性較好。

根據(jù)流態(tài)分析的結(jié)果可知，需要采取優(yōu)化措施，例如調(diào)整進水口的形狀、增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、改變泵站的運行策略等，以改善進水流態(tài)。對設(shè)計水位波動來說，需要設(shè)置調(diào)節(jié)設(shè)施，例如閘門、溢洪道等，以維持穩(wěn)定的進水條件。在實際應(yīng)用中，合理設(shè)定設(shè)計水位對確保泵站高效、穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

4.2 最低運行水位泵站進水流態(tài)分析

最低運行水位是指泵站在正常運行條件下所能維持的最低水位。在這個水位下，泵站仍能有效地吸水并保持運行，但通常需要特別注意進水流態(tài)，以避免因水位過低而導(dǎo)致的運行問題。對最低運行水位下的泵站進水流態(tài)進行分析，保證泵站穩(wěn)定運行。對最低運行水位來說，其泵站橫斷面前池面層、中層和底層的流態(tài)比設(shè)計運行水位更紊亂，存在4個回流區(qū)，從面層覆蓋到底層，流態(tài)極差。

根據(jù)圖4可得，1號和2號進水池的流速均勻度最大，為73.8%，3號進水池的流速均勻度最小，為62.5%。4個進水池流速均勻度差值最大為11.3%，流速均勻度在4個進水池差值較大，因此流體在整個區(qū)域內(nèi)未均勻分布。對該泵站來說，在最低運行水位條件下，前池出口斷面流速均勻性不好。速度加權(quán)平均角差值最大為23.7°，因此其進水流態(tài)平順性較差。

根據(jù)圖5可得，4個進水池流速均勻度差值最大為7.6%，差值最小為0.4%，因此流體在整個區(qū)域內(nèi)未呈均勻分布。在最低運行水位條件下，該泵站進水池進水管前斷面流速均勻性較差。其速度加權(quán)平均角差值最大為13.1°，因此其進水流態(tài)平順性較好。

根據(jù)最低運行水位流態(tài)分析的結(jié)果可知，優(yōu)化進水口和吸水管的設(shè)計，可以減少回流和旋渦的形成。例如，可以增加導(dǎo)流墻或調(diào)整吸水管的布局，使水流更順暢地進入泵站。對最低運行水位下流態(tài)進行分析，保證泵站能夠在低運行水位條件下穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

為了對蘇州某澇區(qū)排澇泵站進水流態(tài)進行研究，首先對國內(nèi)外排澇泵站相關(guān)研究進行了總結(jié)，簡單介紹了蘇州某澇區(qū)的工程概況，其次利用三維數(shù)值計算軟件針對該澇區(qū)排澇泵站在不同運行水位下的進水流態(tài)進行計算，最后得出以下結(jié)論。1）對不同的運行水位來說，前池出口斷面和進水池進水管前斷面的均勻性和平滑性都很差。前池內(nèi)進水流態(tài)最紊亂的情況出現(xiàn)在最低運行水位，在最低運行水位條件下，存在大面積的回旋區(qū)。2）對未進行流態(tài)優(yōu)化的泵站來說，其前池和進水池進水流態(tài)在不同的運行水位下，流態(tài)比較紊亂，可根據(jù)具體泵站工程，通過建造導(dǎo)流墩或隔板等措施來對泵站的前池和進水池進行流態(tài)優(yōu)化。

參考文獻

[1]黃澤.白屈港泵站進水流態(tài)分析及改善措施研究[D].揚州：揚州大學(xué)，2023.

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