斜向管涵进流城市雨水泵站箱涵流态分析及整流措施研究

张 睿，徐 辉，陈毓陵，冯建刚，周春天，王晓升

（河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）

1 研究背景

雨水泵站主要用于排除城市低洼地带以及雨水管道系统中的积水，对于防止城市内涝灾害发挥着关键作用。由于受到城市规划、地形以及管网布置等条件限制，城市雨水泵站占地面积偏小且其进水建筑物结构较为紧凑，往往难以按照泵站设计规范中水力条件良好的要求进行布置，由此容易造成泵站进水建筑物内产生旋涡、回流、偏流等不良流态，严重影响泵站的安全稳定运行［1］。因此，改善城市雨水泵站进水建筑物内的不良流态，对于保障其运行的安全可靠性具有重要意义。

泵站进水流态改善的研究方法主要包括物理模型试验和数值模拟计算，其中，与物理模型试验相比，数值模拟计算的成本低、周期短，并且可以获得更为丰富的流场信息，特别是近年来随着计算机技术的飞速发展和计算流体动力学（CFD）方法的不断完善，CFD数值模拟被越来越多的学者所认可，成为泵站工程水力流动特性分析及整流措施研究的重要手段［2-5］。高传昌等［6］针对田山一级泵站前池和进水池拟选的不同整流方案进行了数值模拟研究，比选出了适合于该泵站前池与进水池的整流措施；刘梅清等［7］对某泵站前池进行了湍流模型适用性分析，采用Realizable k-ε模型开展了导流墩消涡最佳布置方案的数值模拟研究；成立等［8］对加Y形导流墩的正向进水泵站前池流态进行数值模拟，分析了Y形导流墩几何参数对前池流态改善的影响；资丹等［9-10］采用CFD技术与现场测试相结合的手段，开展了大型泵站进水流场组合式导流墩整流优化研究，分析了组合式导流墩在大型泵站进水流场改善流态的作用和效果；周济人等［11］应用CFX软件分析了侧向进水泵站的前池流态，并分别对Y型导流墩、底坎及导流墙等措施的整流特点进行了数值研究。

目前关于泵站进水流态的改善主要集中于前池、进水池内的整流措施研究，而对于城市雨水泵站，因受管线布置约束需要采用斜向管涵进流形式，容易导致箱涵内流态不良且各孔流量分配不均。由于城市雨水泵站前池、进水池的结构尺寸偏紧，整流措施布置空间有限，再加之不良进水条件会显著增大前池、进水池内流态改善的难度，将不利于泵站高效稳定运行。因此，本文以某典型斜向管涵进流城市雨水泵站为例，采用CFD方法深入开展箱涵水力流态特性分析，研究存在的不良流态，提出并分析优化整流方案，再通过物理模型试验加以验证。

2 计算模型与数值方法

2.1 几何模型和计算区域 图1所示的是本文所研究的斜向管涵进流城市雨水泵站平面和立面布置示意图，该泵站的进水系统主要包括：进水总管、闸门井、箱涵、前池、进水池以及水泵机组。进水总管与泵站箱涵的中心线夹角为20°，箱涵采用4孔进流且正对泵站前池；泵站水泵机组采用的是6台大小搭配的潜水轴流泵，其中位于中间位置的3#、4#泵的设计流量为2.04 m3/s，剩余4台泵的设计流量为4.08 m3/s，泵站设计总流量为20.4 m3/s。根据图1建立泵站进水系统的三维几何模型，如图2所示。

图1 城市雨水泵站平面和立面布置（单位：m）

2.2 控制方程与湍流模型 泵站内的水流通常处于湍流状态，并且泵站进水建筑物内往往存在旋涡、回流以及边壁脱流等不良流态。因此，本文的数值计算基于雷诺时均方法（Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations，RANS），选用RNG（Renormalization Group，重整化群）k-ε湍流模型对泵站内的三维不可压缩湍流进行求解。采用基于有限元的有限体积法对控制方程进行离散，对流项采用高分辨率格式，其他项采用中心差分格式，流场的求解采用全隐式多重网格耦合方法。

2.3 边界条件及计算网格 对于边界条件，泵站进水总管入口采用总压进口边界，水泵出口分别给定其各自的设计流量，固壁采用无滑移边界条件；由于闸门井及前池水面波动较小，为简化计算，基于刚盖假定将自由水面设定为对称面进行处理；应用能自动调节以适应满足计算要求的可伸缩壁面函数处理近壁区流动。对于结构复杂的泵站模型，计算网格采用自适性较强的非结构化网格［12］，参见图3。

为减小计算网格对数值模拟结果的影响，利用基于Richardson外推法的网格收敛指数法（GCI）［13］对计算网格引起的截断误差和计算精度进行评估，分别建立了3套网格方案：方案1的网格单元数为4 010 078、y+范围为11.7～983.6，方案2的网格单元数为1 781 084、y+范围为18.6～1378.2，方案3的网格单元数为800 706、y+范围为28.3～2075.8，则网格方案1相对方案2、方案2相对方案3的网格加密因子r21和r32分别约为1.311和1.305。根据GCI方法，选择以进水总管进口至前池进口的水力损失∆h为特征参数进行分析，具体结果参见表1，其中，数值计算得到的网格方案1～3的水力损失∆h1、∆h2、∆h3分别为0.11、0.108和0.102 m，显然随着网格的加密均呈单调变化，表明在目前网格上的数值计算结果是单调收敛的；同时，分析求得水力损失∆h的外推相对误差eext和相对误差ea分别为0.9%和1.8%、网格收敛指数值GCIf为1.12%，均小于5%，表明密网格（方案1）的网格离散误差较小、计算精度较好，可作为数值计算用网格。

表1 计算网格离散误差估计［14］

图2 城市雨水泵站进水系统的三维几何模型

图3 计算网格

3 初步方案的流态分析

图4所示的是泵站初步方案闸门井、箱涵以及前池进口区域的三维流线图。由图4可知，水流从进水总管斜向流入闸门井内，因其为圆管突扩入流使得进入闸门井的水流未能充分扩散，表现为主流集中且在其两侧形成大尺度的旋涡区。对于斜向集中水流在撞击到箱涵进口中隔墩后分别向左右两侧分流：对于左侧水流（沿主流方向看），因受箱涵中隔墩阻挡而向左偏折的大部分水流进入到孔2内，仅少量水流能够进入到孔1中；对于右侧水流，由于闸门井入流本身偏向右侧，而箱涵中隔墩的阻挡则加剧了其向右偏斜的程度，使得右侧大部分水流顺势进入到孔4中。由此可见，斜向管涵进流容易造成泵站箱涵各孔的流量分配出现不均问题，经统计，箱涵孔2和4的过流流量分别占总流量的42.52%和38.41%，而箱涵孔1和3的过流流量分别占总流量的13.96%和5.11%。为进一步了解闸门井、箱涵及前池进口处的流场特性，选取如图5所示的典型断面进行分析，其中水平截面P为箱涵的中截面，垂直截面A、B、C、D分别为距离箱涵4孔出口0.5 m处的过流断面。

图4 初步方案的三维流线图

图5 选取的典型断面

图6所示的是水平截面P上的速度分布云图及矢量图，从图中可以明显看出，闸门井内斜向进流存在主流集中且其两侧存在旋涡区，箱涵各孔内的流量分配存在显著差异。此外，由图6还可以看出，箱涵各孔内的流速分布不均，其中孔1内水流流速偏低且在其末端水流存在一定的偏流，孔2内流速较高且在箱涵孔扩散段末端区域存在边壁脱流现象，孔4内存在明显偏流且沿流向右侧水流流速较高，而流量分配最低的孔3内水流流速明显偏低，并存在旋涡、回流等不良流态。结合图7所示的箱涵4孔临近出口截面上沿主流方向的速度分布云图可以发现，箱涵的流量分配不均导致其各孔出口截面的流速分布存在显著差异，引起前池进口处产生横向流动，进而造成不良的进流条件。

图6 水平截面P上的速度分布云图及矢量图

图7 箱涵4孔出口截面的速度分布云图

4 箱涵进水整流措施研究

4.1 整流措施方案设计 由于斜向管涵进流在闸门井内未能充分扩散而表现为主流集中，继而导致箱涵各孔流量分配不均，并引起闸门井、箱涵以及前池内出现不良流态。因此，拟通过在闸门井内设置整流措施从而对水流进行均化，以实现提高箱涵各孔的流量分配均匀性和改善流态的目的。作为一种新型整流措施，组合梁结构形式简单且引起的水力损失较小，常被用于均化城市泵站前池进流。本文将组合梁措施应用于闸门井内并分析其整流效果，同时为了获得更为理想的改善效果，设计了结合导流墩的另外两种组合式整流方案进行比较分析，各整流方案的结构布置示意图如图8所示。

对于整流方案1，如图8（a）所示，它是由沿垂向布置的正对箱涵且过闸门井圆心的3根横梁组成；对于整流方案2，参见图8（b），它是在方案1的基础上增设了正对进水总管中心线的分流墩；而整流方案3是基于方案2，在分流墩两侧相背布置了短导流墩，其具体的结构尺寸如图8（c）所示。

图9所示的是建立的上述3种整流方案的三维几何模型，下面将基于CFD数值模拟方法对比分析3种整流措施的改善效果。

图8 在闸门井中设计的3种整流方案的结构布置（单位：mm）

图9 泵站闸门井中的三种整流措施的三维几何模型

4.2 整流效果分析 分别采用上述3种整流方案后的泵站闸门井、箱涵及前池进口处的进水流态如图10所示，与初步方案相比（参见图4和图6），各整流方案对泵站进水流态的整流效果存在明显差异。

对于整流方案1，参见图10（a），组合梁对闸门井斜向入流起到一定的均化作用，但是进入箱涵内的水流仍存在流量分配不均，其中箱涵两侧边孔的流量分配较多，分别占总流量的35.39%（孔1）和40.04%（孔4），中间两孔流量分配偏低，分别占总流量的11.25%（孔2）和13.32%（孔3）。此外，孔4内仍存在明显的偏流现象，并且流量分配较低的孔2和孔3内存在回流、旋涡等不良水流流态，同时泵站前池的进口处仍存在着明显的横向流动现象。对于整流方案2，参见图10（b），通过在组合梁前增设正对进水总管中心的分流墩，使得进入闸门井的斜向入流先被分流。其中，对于右侧水流（沿流动方向看），仍保持原有方向继续流动；而对于左侧水流，由于分流墩左侧边壁为弯折形结构，使得左侧水流从斜向变为正向进流。两股水流在经过组合梁时均得到一定均化，孔1—4的流量分别占总流量的33.92%、15.44%、14.44%和36.21%，相比整流方案1，箱涵各孔的流量分配均化程度略有增加，但是在箱涵内及其出口处仍存在不良流态，箱涵流量分配均匀性及流速分布情况仍需进一步改善。对于整流方案3，如图10（c）所示，在整流方案2的基础上，通过在分流墩两侧且在组合梁前后相背布置短导流墩，对分流墩两侧的分流进一步起到均化和导流作用，相比初步方案及其他两个整流方案，不仅箱涵各孔内的流量分配变得更为均匀，使得孔1—4的流量分别占总流量的23.96%、25.49%、22.48%以及28.07%，而且箱涵各孔内及前池进口处的水流流态都得到了显著的改善。

图10 各整流方案的进水流态

图11所示的是各整流方案箱涵4孔出口A、B、C、D截面上沿主流方向的速度分布云图，从图中可以发现，相比其他方案，整流方案3有效提高了箱涵各孔出流速度的均匀性。

4.3 箱涵流量分配特性分析 为更好地评估3种整流方案对泵站箱涵流量分配特性的改善效果，下面对箱涵各孔流量分配不平衡度Ei和总流量分配均匀度S这两个参数进行比较分析，其中Ei和S分别定义为：

式中：Qi为第i孔内水流流量，m3/s；Qa为箱涵各孔的平均流量，m3/s；n为箱涵孔数，即n=4。

图12所示的是初步方案和3个整流方案的箱涵各孔流量分配不平衡度Ei值的分布情况，其中Ei值越接近于0表示该孔的流量分配均化程度越高。从图12中可以看出，初步方案的箱涵流量分配不均现象比较严重，其中孔2与孔4的流量分配明显偏大，分别达到了0.175和0.134，孔1与孔3流量分配则偏低，分别为-0.11和-0.199。通过在闸门井内设置整流措施，可以改善箱涵流量分配的均匀程度。其中，整流方案1和2改善的效果不够显著，而整流方案3可以有效提高箱涵各孔的流量分配的均匀程度，使得各孔的Ei值缩小至±0.03之间。

图11 各整流方案箱涵4孔出口截面的速度分布云图

整流前后各方案箱涵的总流量分配均匀度S如图13所示，其中总流量分配均匀度S值越接近于1，表明箱涵各孔的流量分配越均匀。从图13中可以明显看出，未设置整流措施的初步方案，箱涵的总流量分配均匀度S明显偏低，仅为0.268；而通过在闸门井内设置整流措施是可以提高箱涵各孔的流量分配均匀程度，其中整流方案3的改善程度最为显著，其能够将总流量分配均匀度S值提高至0.905。因此，可以通过在闸门井内设置整流方案3，以提高该城市雨水泵站箱涵的流量分配特性。

图12 箱涵各孔的流量分配不平衡度值

图13 各方案总流量分配均匀度对比

4.4 物理模型的验证分析 为进一步验证整流方案3的改善效果，基于物理模型试验对比分析整流前后箱涵出口、进水池进口处典型断面的流速分布情况。物理模型按照重力相似准则进行设计，综合考虑模型水流在阻力平方区要求以及模型泵的选择，确定模型线性比尺λl=8，物理模型实物照片如图14所示。图15所示的是物理模型中典型断面及测点的布置情况，其中断面A位于箱涵孔内距离箱涵出口的62.5 mm处，断面B位于距离进水池进口前75 mm处，在水平方向上箱涵各孔内及各水泵进水池进口前均布置3条测量垂线，每条垂线从近水底至近水面均布9层垂向测点。采用ADV（声学多普勒流速仪）对各测点的流速进行测量，通过对每条测量垂线上的测点沿前池主流方向的速度分量进行统计平均及相似换算，获得整流前后各典型断面测点的垂线平均流速分布图，参见图16。图17为整流前后数值计算与试验测量统计得到的箱涵各孔的流量分配系数（各孔流量占总流量的百分比）对比图。

图14 物理模型实物照片（整流方案3）

图15 典型断面及测点布置（单位：mm）

结合图16和17可以发现，泵站初步方案箱涵各孔出口流速分布不均、流量分配差异明显，其中箱涵孔2和孔4的流量分配偏大且流速较高、孔1和孔3流量分配偏小且流速较低，同时由于箱涵出口流速分布不均匀直接影响了前池进水流态，进而造成进水池进口前流速分布不均；通过在闸门井内设置整流方案3，显著改善了箱涵各孔的流量分配特性以及提高了箱涵各孔的出口、进水池进口前的流速分布均匀程度。图18所示的是整流方案3箱涵出口、进水池进口前物理模型试验与数值模拟计算统计得到的典型断面测点沿主流方向的流速分布对比图。由图17和图18可知，无论是从箱涵各孔流量分配系数的分布规律，还是典型断面测点的流速分布规律来看，物理模型试验与数值模拟计算的结果较为吻合，从而验证了本文数值模拟方法的可靠性。

图16 典型断面测点垂线平均流速分布（单位：m/s）

图17 箱涵各孔流量分配系数对比

5 结论

图18 整流方案3各测量垂线沿主流方向分速度对比

针对某斜向管涵进流形式的城市雨水泵站，开展箱涵进水流态分析及其整流措施研究，取得了以下主要结论：（1）斜向管涵进流因受惯性力影响，水流未能在闸门井内充分扩散而表现为主流集中且在其两侧形成大尺度的旋涡区；斜向进流容易导致箱涵各孔的流量分配不均，引起箱涵孔内产生偏流、回流、旋涡等不良水力现象，恶化了前池和进水池进水流态，不利于泵站安全运行。（2）闸门井内设置“分流墩、组合梁以及相背布置短导流墩”的组合式措施对斜向进流的整流效果最为显著；分流墩对闸门井斜向进流首先进行有效分流，其中一侧水流受到分流墩的导流作用而转为正向进流，再受到组合梁均化作用及后置短导流墩的分流作用变得较为均匀，另一侧水流则继续沿斜向流动，受到前置短导流墩的导流及分流作用及组合梁的均化作用而得到有效均化，从而最终改善了闸门井、箱涵、前池进口处的水流流态以及提高了箱涵各孔的流量分配均匀程度。（3）物理模型试验结果与数值模拟结果较为吻合，进一步验证了整流措施方案的有效性和数值模拟方法的可靠性。

［1］徐辉.城市排水泵站进水水力特性研究［D］.南京：河海大学，2005．

［2］ZHAN J M，WANG B C，YU L H，et al.Numerical investigation of flow patterns in different pump intake systems［J］.Journal of Hydrodynamics，2012，24（6）：873-882.

［3］CHUANG W L，HSIAO S C，HWANG K S.Numerical and experimental study of pump sump flows［J］.Mathe⁃matical Problems in Engineering，2014（4）：1-20.

［4］SUN H L，LIU Y K.Theoretical and experimental study on the vortex at hydraulic intakes［J］.Journal of Hydrau⁃lic Research，2015，53（6）：787-796.

［5］何勇，潘志军，虞鸿，等.大型泵站进水前池复杂流态下机组启动组合优化［J］.水利水电技术，2016，47（5）：69-74.

［6］高传昌，刘新阳，石礼文，等.泵站前池与进水池整流方案数值模拟［J］.水力发电学报，2011，30（2）：54-59.

［7］刘梅清，林琦，梁兴，等.泵站前池流态改善效果的数值模拟分析［J］.武汉大学学报（工学版），2012，45（2）：152-156.

［8］成立，祁卫军，罗灿，等.Y形导流墩几何参数对泵站前池整流效果的影响［J］.水利水电科技进展，2014，34（1）：68-72.

［9］资丹，王福军，姚志峰，等.大型泵站进水流场组合式导流墩整流效果分析［J］.农业工程学报，2015，31（16）：71-77.

［10］ZI D，WANG F J，YAO Z F，et al.Numerical simulation on rectifying flow in intake system of a pumping station connected with headrace pipe［C］//28th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems，Grenoble，2016.

［11］周济人，仲召伟，梁金栋，等.侧向进水泵站前池整流三维数值计算［J］.灌溉排水学报，2015，34（10）：52-55.

［12］资丹，王福军，陶然，等.边界层网格尺度对泵站流场计算结果影响研究［J］.水利学报，2016，47（2）：139-149.

［13］STERN F，WILSON R V，COLEMAN H W，et al.Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations，part 1：methodology and procedures［J］.Journal of Fluids Engineering，2001，123（4）：793-802.