城市排水泵站进水前池水力特性数值模拟研究

丁兆利

(北京北华中清环境工程技术有限公司，北京 100176)

0 引 言

城市雨污水量的增加，对城市排水设施提出更高的要求。作为城市排水设施重要组成部分，城市排水泵站的规模日益扩大，其安全可靠经济运行日益受到重视。在城镇规划中，由于受到各种因素的限制，城市排水泵站的进水系统难以按照进水水力条件良好的要求来布置，易在前池里形成回流、斜向流和漩涡等不良水力现象，不能满足水泵进水所要求的水流流速平顺、压力均匀的要求[1]。同时，由于城市排水泵站所抽送的通常是污水或雨污水的混合水流，水流含泥沙量较大，易在泵站构筑物中产生淤积。因此，采取有效的整流措施来改善水泵的进水条件，对确保泵站高效和安全运行，防止泥沙淤积，具有重要的意义。

如何采取合理的工程技术措施，改善泵站的进水流态，提高机组的运行效率，一直是城市排污(水)部门和相关设计、科研单位研究的重点。随着计算机技术和数值计算方法的迅速发展, 数值模拟逐渐成为研究泵站前池水力特性的重要手段。它能够快捷地进行计算和模拟，大大提高工程研究和决策的效率。城市排水泵站一般由多台机组共同运行，且工况较多，流态较为复杂。本文根据《泵站设计规范》(GB 50265-2010)[2]要求，结合上海某排水泵站，对泵站进水前池的水力特性进行数值模拟研究。

1 数学模型

城市排水泵站进水的流动为不可压缩的三维湍流，雷诺数通常大于104。本文采用k-ε双方程模型，使用有限体积法对通用控制方程进行离散，对于离散方程中的压力项，采用基于同位网格的SIMPLE算法修正并与速度耦合，通过选取适当的湍流参数和壁面参数，有效地模拟进水前池流态[3]。

1.1 控制方程

流体运动遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒三大物理学定律，这三大定律对流体运动的数学描述就构成了流体动力学的基本方程组。泵站前池内的流体是恒温的，自动满足能量守恒方程，流体流动符合不可压缩流场的质量守恒定律，在定常条件下，泵站进水池的不可压缩流动可用以下方程描述：

1) 连续方程。不可压缩流体的连续方程为：

2) 动量方程。不可压缩黏性流体的时均运动方程，即雷诺平均N-S方程为：

3) 湍动能方程。

4) 湍动能耗散率方程。

以上4式中：xi(i=1，2，3…)为坐标系坐标；ui(i=1，2，3…)为沿i方向的速度分量；fi为沿i方向的质量力；p为压力；ρ为水的密度；ν为水的运动黏滞系数；Pr为紊动能生成率；νt为涡黏性系数。

其中Pr表达式为：

vt表达式为：

1.2 数值计算方法

泵站进水前池中的三维湍流数值模型采用雷诺平均N-S方程，并以标准k-ε湍流模型使方程组闭合，采用有限体积法分离式迭代求解的方法求解三维流场，压力速度耦合采用SIMPLE算法。

1.3 主要参数

雷诺应力模型包含的经验常数，按照文献[4]给定取值。Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cs=0.22，C1ps=0.18，C2ps=0.6，C1-ps=0.5，C2-ps=0.3，TKE=1.0，TDR=1.3。

1.4 网格划分及计算条件

城市排水泵站进水池体型结构较为复杂，网格划分采用分区域剖分、局部加密、主要区域采用六面体网格等技术，减少网格数量，使网格划分与水流流动方向基本一致，提高流场计算的精度。对各工况分别建立模型，并划分网格。

进口条件：采用速度入口条件，即给出速度、湍动能和耗散率。

出口条件：自由出流边界条件，各变量在流动方向上的梯度为零。

壁面条件：采用无滑移动边界条件，对黏性底层采用壁面系数法处理。

自由表面:采用刚盖假定法。

2 计算对象

泵站前池平面布置图见图1。

图1 泵站前池平面布置图Fig.1 Lateral flow of cooling water at the bottom of the map coordinate system test

由于篇幅限制，本文仅论述中液位时1#、2#、3#三台泵同时开启时的工况，具体计算参数见表1。

表1 前池水流流态的数值模拟工况

本文选取进水前池表面和进水管中心标高处(H=2.8 m)剖面的流速矢量图和速度等值线分布图，进行分析研究。

3 原设计方案进水池流态分析

前池水流流态的影响因素很多，包括进水方式、前池尺寸、运行工况、前池水位、流速等。根据《泵站设计规范》(GB 50265-2010)要求，泵站前池布置应满足水流顺畅、流速均匀、池内不得产生涡流的要求。进水池设计应使池内流态良好，满足水泵进水要求，且便于清淤和管理维护。一般正向进水扩散型前池的临界扩散角为20°～40°，前池扩散角应等于或小于水流临界扩散角，否则前池内可能产生脱壁回流等不利水力现象。由于该泵站前池扩散角较大，前池回流情况比较明显。

在无整流措施情况下，原设计方案的数值计算结果见图2～图5。

图2 原方案前池表面流速矢量分布图

图3 原方案H=2.8 m流速矢量分布图

图4 原方案前池表面速度等值线分布图

图5 原方案H=2.8 m速度等值线分布图

原设计方案的计算结果表明，泵站前池存在大范围的脱壁回流区和表面漩涡。水流从引水管进入前池后未能充分扩散，形成明显的水流居中现象，沿进水方向，主流断面进一步压缩,水流来不及扩散，中间流速大，压力小，两侧流速小，压力大，在这种流速和压力差的作用下，前池两侧形成回流和漩涡。由于机组是非对称开启，两侧产生的回流区明显大小不一且强弱不同。

产生上述现象的主要原因是前池扩散角较大，而长度较短，使得调整水流流态的空间有限，主流来不及扩散，被前池后壁阻挡，产生倒流后向两侧扩散，并形成反向流动，在前池内形成回流区和涡旋。回流区的存在易使前池内泥沙淤积，导致水泵进水不均匀，因此需要对前池结构体型进一步优化。

4 前池进水流态改善措施研究

在泵站工程中，要得到一个令人满意的进水流态，一方面要消除大尺度回流，另一方面要使得水流在前池宽度上均匀扩散。实际上前池内的回流和漩涡一般是由水流与前池进口边壁的边界层之间的分离流动引起的，这一点无论是正向进水前池还是侧向进水前池都是相同的。为改善前池流态，需要采取必要的工程措施。选择整流措施的主要原则是:①使前池中流态平稳，回流区尽可能小，强度减弱，以至消除；②使得进水池或进水流道口处流速分布尽可能均匀；③消除进水池或进水流道进口产生表面漩涡的条件；④减小前池泥沙淤积量；⑤整流措施工程量少，水力损失小，投资省。

关于前池进水流态的改善措施，一般有3类[5-6]：第一类是增长扩散段，但水力条件改善微弱。第二类是在前池中增设导流墩或隔墩，效果比较明显。第三类措施是在前池增设底坎，通过坎后水流充分紊动扩散，从而获得满意的水流流态。在本文中，根据原设计方案的流态情况，结合泵站构筑物尺寸布置，提出在前池布设梯形底坎和导流扩散墩两种整流方案。

4.1 底坎整流方案研究

梯形底坎是正向进水前池中最常用的整流措施。设置底坎的作用有两个：①造成坎后立面旋滚，使其在坎后一定距离内与平面回流掺搓，相互产生复杂的作用，消除回流中的旋转动量，使坎后流态重新调整，水流到达进水口时，基本上能获得比较均匀的流速分布；②梯形底坎可以削弱引水管所携带的余能，因而增加了一定的水头损失是不可避免的，但机组从改善措施获得的装置效率的提高远超过这一附加的水头损失。底坎消除回流的效果与坎高和水深的比值有关,合适的底坎可以控制横轴旋流的强度和范围，其原则就是坎后的横轴旋流既能破坏前池的回流，又不影响进水流道门前的流态。

针对本工程，底坎的具体布设方案如下：在距离引水管进口5 m处沿垂直进水方向布设梯形底坎，底坎尺寸为上底宽1 m，下底宽2 m，高1 m，具体布置见图6。

图6 前池内梯形底坎布置图

在布设底坎整流措施情况下，进水前池的数值计算结果见图7～图10。

图7 底坎整流前池表面流速矢量分布图

图8 底坎整流H=2.8 m流速矢量分布图

图9 底坎整流前池表面速度等值线分布图

图10 底坎整流H=2.8 m速度等值线分布图

以上计算结果表明，水流由进水管进入进水前池后，主流以较高流速与底坎发生冲撞。一部分水流受底坎阻挡折回两侧，在边壁与底坎之间形成两个紊动扩散区域，实质上为边侧水流提供了足够的动量，减少涡漩积累，从而防止大尺度回流的形成；另一部分水流翻越底坎，形成坎后立面漩滚，使得下游断面上的流速得到重新调整。但本方案中进水池坎后立面旋滚范围过大，且靠近水泵进水口处，这对水泵的高效运转是十分不利的。因此，在池底布设梯形底坎方案整流效果不明显，不能有效扩散引水管出流，对池内回流的削弱作用不佳，没有达到预期效果。

4.2 导流扩散墩整流方案研究

在保持原方案进水前池结构体型不变的情况下，借鉴文献[7]中推荐的前池内水流扩散方案，在前池进口处交错布置2排(共5个)1 m×1 m导流扩散墩。其结构体型和布置见图11。

图11 前池内导流扩散墩布置图

在布设导流墩整流措施情况下，进水前池的数值模拟计算结果见图12～图15。

图12 导流墩整流前池表面流速矢量分布图

图13 导流墩整流H=2.8 m流速矢量分布图

图14 导流墩整流前池表面速度等值线分布图

图15 导流墩整流H=2.8 m速度等值线分布图

以上计算结果表明，进水管受前池入口处两排导流墩的分割、挤压作用，进水在前池内充分紊动扩散，流速的三维湍动特征明显，两侧边墙流速明显增大，前池内表面漩涡和回流现象基本消失。前池进水口中间流速减小，流速分布均匀性改善，虽然存在小范围的漩涡区, 但水流到达水泵进水口处，水流流速分布已十分均匀，水泵进水的水力条件良好。

与底坎方案相比，速度分布均匀性进一步改善，水流在前池内扩散充分，基本消除了前池内回流和表面漩涡。但该方案亦有不足之处：①因为前池流场呈三维特性，进水条件变化时，部分回流难以消除；②该措施在施工上难度较大，对地基要求较高。

5 结 论

泵站前池良好的流态对水泵机组的安全高效运行至关重要，本文通过数值模拟计算的方法对泵站前池的水力特性进行研究分析。主要结论如下：

1) 在原设计方案中，城市排水泵站由于前池扩散角较大，前池水流扩散不充分，存在较大回流区和表面漩涡等不利流态，会造成水泵效率下降、泥沙淤积。因此，必须采取工程措施，对前池进行优化，以改善前池流态。

2) 提出了在前池内布设底坎和导流扩散墩两种整流方案，并分别进行模拟计算。结果表明，前池内底坎对水流扩散作用不明显，仍存在不良的流态；导流扩散墩方案能够使前池水流较为充分地扩散，基本消除前池内回流和表面漩涡，保证水泵的安全高效运行。