泵站调节池水力优化的数值模拟

朱晓明 叶源新 王晓升 张 睿

(1.河海大学 水利水电学院， 南京 210098； 2.上海城投水务工程项目管理有限公司， 上海 201203)

在给排水系统中，调节池应用非常广泛．广义来讲，给水系统中用到的水塔、清水池，建筑给水系统中用到的贮水池都属于调节池的范畴；水处理系统中，调节池又分为水质调节池和水量调节池，其研究主要集中在对调节池容积的计算上[1-2]．上海市某泵站不属于给排水系统中的水工建筑物，但其工程设计中包含调节池，主要作用：1)由于用水可能存在着昼夜变化和高日高时变化，调节池可提高供水安全性，为承接黄浦江水时，保证一定时间内原水不间断；2)由于从水源地承接的水流中存在泥沙等杂质，为保证调节池内不出现泥沙沉积的现象，在调节池内设置导流墙，使槽道的水流达到不淤流速，从而有效防止泥沙淤积．为保证泵站的安全稳定运行，合理的导流墙布置形式非常重要，本文试图通过数值试验的方法寻求合理的导流墙布置形式．近年来随着计算机技术和计算流体力学的发展， CFD(computational fluid dynamics)正成为了解水流流动状况的重要手段，被越来越多的学者应用并取得了一定的成果[3-5]．而调节池的研究主要集中于设计探讨[6-8]，并没有考虑调节池内部流态对工程的影响．因此，本文借助计算流体动力学软件Ansys Fluent，采用基于RNGk-ε湍流模型的数值方法对典型水位条件下多个导流墙布置方案的上海市某泵站整体模型进行CFD计算，通过对比分析不同导流墙布置方案之间的水流流态和水力损失变化，寻求合理的导流墙布置形式，将水流流态最优且水力损失最小的导流墙布置方案确定为最佳方案，为同类工程优化设计提供一定的参考．

1 计算模型及方案

本文以我国上海市某泵站为研究对象，建立了泵站进水口、溢流堰、调节池、导流墙、前池、进水流道及泵站出口的计算模型，如图1所示．

1.泵站进口；2.溢流堰；3.调节池；4.导流墙；5.前池；6.进水流道；7.泵站出口图1 上海市某泵站几何模型

为全面分析调节池内导流墙布置方案对水流流态分布与水头损失变化的影响，选取6种不同的导流墙布置形式在典型水位条件下进行计算．其中，方案1在调节池中布置若干导流墙形成初步设计方案；方案2在方案1的基础上适当加宽流道；方案3在方案2的基础上调整水流方向；方案4在方案3的基础上加大挖深；方案5在方案3的基础上考虑分流影响；方案6又进一步调整导流墙的尺寸、间距，并且将直角形状的拐角圆角化．6种导流墙的布置方案如图2所示，流体域均采用三维CAD软件pro/E建模．

图2 6种导流墙布置方案

2 计算方法及网格划分

调节池内水流运动为湍流运动，流动相当复杂，但在连续介质假设成立的前提下，流体的运动可以用雷诺时均连续性方程和雷诺时均N-S方程联立来描述．

雷诺时均连续性方程

(1)

雷诺时均N-S方程

式中，t表示时间，xi，xj分别表示i方向和j方向的坐标分量；ui，uj分别表示i方向和j方向的流速分量；gi表示i方向的体积力分量；ρ表示流体密度；μ表示流体分子动力粘性系数；p′表示修正压力，p′=p+2ρk/3，p表示压力．

RNGk-ε方程

(3)

其中

一般认为水流是不可压缩流体，热交换量很小，因此不考虑能量守恒方程．通过雷诺时均N-S方程描述湍流运动时具有不封闭性，需要引入湍流模型来封闭方程组，本文采用RNGk-ε模型进行计算域流动特性的模拟．

流体域主要包括配水管、调节池、前池、进水流道和出水管水域．在数值计算中，网格不仅是几何模型的间接表达形式，也是数值计算与分析的重要载体，网格质量的好坏直接关系到计算的精度及效率，同样直接影响计算结果的正确性与可靠性．调节池全槽道过流导流墙多，几何布置复杂，考虑到调节池布置的复杂性，运用ICEM对流体域进行几何适应性强的四面体非结构化网格划分，对水流转弯处进行网格局部加密，整体网格如图3所示．对方案1进行网格无关性分析，整个中途泵站流体计算域网格单元总数为990.1万时，进口与出口之间的水力损失差别很小，随着网格数量的增加对计算精度的影响很小，故选用网格总数为990.1万时的网格剖分方式．

图3 上海市某泵站数值模型整体网格

3 方程离散及边界条件

在上海市某泵站整体模型的数值模拟研究中，进口边界采用速度进口条件，给定速度的大小和方向；出口边界采用自由出流条件，即出口断面上各输运变量梯度为零；对于自由水面则假定为应力自由边界．控制方程的离散采用有限体积法；扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法．

4 计算结果及分析

4.1 流态分析

针对图1所示的上海市某泵站几何模型进行了三维湍流数值模拟，其计算水位为3.8 m，开机组合为1号、2号和4号．其中调节池布置形式如图2(a)～(f)所示．6种方案的空间流线分布图如图4(a)～(f)所示，从图4(a)可以看出，方案1存在明显的边壁脱流现象，极易造成严重的淤积现象，泵站前池前端的进水槽中水流明显偏向一侧，从而诱导了泵站前池水流流态的恶化；图4(b)中，墙槽道宽度增大，水流流态并没有得到实质性地改变，槽道内边壁脱流及回流现象更加明显，甚至出现小范围漩涡，前池进口处仍然存在严重的偏流现象；图4(c)和4(d)中，调节池槽道内流态大致相似，溢流堰处水流流态较好，而后存在严重的边壁脱流现象．图4(e)中，调节池槽道中流态有所改善，前池前端槽道的起始流态较好，但是汇入前池时流态分布有所恶化；图4(f)中，空间流线分布较好，边壁脱流现象明显改善，特别是前池水流居中，有助于优化泵站前池水流流态．

图4 6种方案空间流线分布图

6种方案的底层流速分布图如图5(a)～(f)所示，从图中可以看出，图5(a)～(e)中大部分水域的底部流速均达到不淤流速，但是水流在前池前端槽道中均存在不同程度的偏流现象，这样不利于泵站的高效稳定运行；而图5(f)中，数值结果显示，方案6有效均化了调节池槽道流量分配，在满足调节池底部流速达到不淤流速的同时，水流在进入前池前，主流居中，流态得到较好地改善，为前池流态提供一定的保障．

图5 6种方案底部流速分布云图

4.2 水力损失分析

为验证数值模拟研究对调节池进水流态及进水系统水力损失计算结果的准确性，对数值模拟计算的优化方案进行物理模型试验，建立如图6所示泵站整体水力模型．泵站模型试验采用整体正态水力模型，按重力相似准则设计．模型范围包括进水管道、调节池、前池、进水池和出水管．

图6 上海市某泵站物理试验模型

综合考虑模型水流在阻力平方区要求以及模型泵的选择，拟选取模型线性比尺λ1=10．根据泵站试验研究要求，采用外形几何相近，流量适合模拟要求的水泵作为试验用泵，经过多方面调研比较，拟采用150ZLDB型立式混流泵作为试验用泵，通过设于出水管上的闸阀对水泵的运行流量进行调节，满足试验要求．泵站原型前池、进水池为钢筋混凝土材料制作，其糙率为0.013～0.014，模型相应糙率为0.009～0.010，模型底板的侧墙采用纯水泥细致抹面，其糙率可达0.010，调节池隔板及进水池部分采用有机玻璃及塑料板制作，其糙率为0.009左右，模型满足糙率相似的要求．在调节池、前池、进水池适当位置布置测压管及水位测针量测压力及水位；在每台水泵出水管上安装电磁流量计或超声波流量计量测水泵流量，同时用量水堰对单泵流量进行比测，在回水渠设置量水堰量测泵站总流量．对上述6种调节池导流墙布置方案分别进行物理模型试验，并对6种导流墙物理模型水头损失进行采集、统计并换算，与数值模拟结果中采集的水头损失进行对比，如图7所示．从图中可知，两条曲线均呈递减趋势且趋向重叠，说明数值模拟结果可信．6种方案中，方案6的水力损失最低，相较方案一的水力损失降低了近1.2 m，说明合理的导流墙布置形式不仅可以优化水流流态，而且可以有效地降低水力损失．

图7 数模与物模中各方案的水头损失

5 结 论

本文基于定常不可压流体的控制方程和重整化群湍流模型，应用SIMPLEC算法，计算了泵站调节池三维流动，对比分析不同导流墙布置方案调节池的水流流态．计算结果表明，过小的导流墙间隔将导致调节池内边壁脱流现象严重；过大的导流墙间隔使得调节池内水流流速过低；增大调节池挖深，流态改善不明显且增加工程造价；设置过多的导流墙会增加调节池水头损失，使得调节池水面落降增大；合理的导流墙布置形式可以有效改善调节池内水流流态，降低水力损失，为前池流态提供一定的保障．

优化导流墙的尺寸、间距以及布置方向可以有效均化调节池槽道流量分配，改善调节池流态，并使前池进口流态得到一定程度的改善，同时能够有效降低调节池内的水力损失，调节池水面落降明显减小．其中，本文中将方案6确定为最佳导流墙布置方案，可为工程建设作一定的参考．

本文仅针对上海市某泵站提供了合理的调节池导流墙布置形式，对边壁脱流和水流偏流等不良现象的改善措施也较为单一，寻求普适性较好且多样化的改善措施还有待研究．

[1] 孟建丽，张润斌，孟建雄．调节池的作用及设计探讨[J]．科技情报开发与经济，2011，21(12)：173-175．

[2] 王连来，李洪清．南水北调配套工程西河原水枢纽泵站调节池设计[J]．中国给水排水，2013，29(16)：52-53．

[3] 成 立，刘 超，周济人，等．泵站开敞式进水池几何参数的数值模拟[J]．农业机械学报，2009，40(1)：50-55．

[4] 于永海，成 斌．侧向引水及进水泵站进水流态CFD模拟分析与优化[J]．水利水电技术2012，43(2)：72-75．

[5] 王文全．多功能灌排泵站开敞式进水池水流的数值模拟[D]．扬州：扬州大学，2013：6．

[6] 罗惠云，韩洪波．无动力调节池设计原理及应用[J]．给水排水，2015，41(6)：40-42．

[7] 韩温堂，李新红，余承烈，等．小型工业废水处理站调节池的设计探讨[J]．工业用水与废水，2015，46(2)：33-35．

[8] 楼少华，袁武建，张景波，等．大型区域污水转输泵站及调节池工程设计[J]．给水排水，2014，40(11)：39-41．