利用反坡条件的泵站前池扩散角优化研究

王海阳 王秀梅

摘 要：为研究反坡条件对前池扩散角的优化调整作用，应用CFD数值模拟方法，采用标准k-ε湍流模型，对南水北调某配套泵站正向进水前池进行了分析计算，以工程设计的初始方案为基础，通过扩散角的调整分析计算前池水流流态。计算结果表明：前池设计水深较大，前池扩散角大于80°时，池内水流无法有效扩散，两侧回流明显，边孔水泵吸水条件恶劣;前池扩散角为50°时，前池内水流流态稳定，扩散均匀;前池进口段的反坡结构有利于前池水流均匀扩散，反坡条件可使前池扩散角增大到50°。

关键词：前池;数学模型;流态;反坡;扩散角

中图分类号：TV675   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.031

Abstract：The diffusion angle of forebay of most positive inflow pumping stations is controlled according to 40°， but some projects cannot meet the design code due to the site conditions， it makes the flow patterns in the forebay disordered and affects the operation of water pump. Adding the diversion pier， bottom sill， water pressure plate and slope are used to improve the flow pattern of the forebay with large diffusion angle. In this paper， a pumping station with counter-slope of the South-to-North Water Transfers was studied numerically based on the unsteady Reynolds averaged N-S equation and the Standard k-ε turbulence model. Based on the initial design of the project， the flow pattern was calculated by adjusting the diffusion angle. The results show that when the diffusion angle is greater than 80°， the flow in the forebay cannot be effectively diffused， the backflow on both sides is obvious， and the suction condition of side hole water pump is poor and even the water depth is large in the forebay. When the diffusion angle is 50 °， the flow pattern in forebay is stable and the flow diffusion is uniform. The counter-slope structure of forebay intake section is conducive to the uniform diffusion of water flow in forebay and the diffusion angle of forebay can be increased to 50° under reverse slope condition.

Key words： pumping station forebay; mathematical modeling; flow pattern; counter-slope; diffusion angle

泵站前池是引水渠和進水池的连接建筑物，其主要作用是保证引水渠水流充分扩散，平顺地进入进水池，为水泵提供良好的吸水条件。前池的体型和尺寸不仅影响水泵吸水条件，而且对泵站工程投资和运行管理有着很大的影响[1-3]。正向进水前池扩散角对前池流态的影响十分明显，水从引水渠进入前池后，过水断面扩大，流速减小，沿程压力增大，水流在惯性力作用下发生脱壁现象，前池两侧产生回流和旋涡，严重的会波及进水池内，使水泵进口流速和压力分布不均匀，从而诱发水泵汽蚀，引起机组、泵房结构振动，影响机组出力，甚至危机泵站结构安全[4-7]。

《泵站设计规范》（GB 50265—2010）规定，正向进水前池扩散角不应大于40°[8]，但工程设计中存在如场地狭小等限制因素，使得泵站前池扩散角难以满足规范要求，而大扩散角使得泵站前池水流紊乱，影响机组运行。目前，改善泵站大扩散角前池流态的主要方法为加设导流墩、底坎、压水板等。近年来随着计算机技术的发展和流体力学理论的逐渐成熟，数值模拟技术在泵站研究设计中得到了广泛应用[9-11]。于磊等[12]采用Realizable k-ε湍流模型对大扩散角泵站前池整流措施进行了数值模拟，研究得出Y型导流墩等措施可以改善前池流态;夏臣智等[13]对倒T形底坎的泵站前池水流进行了数值模拟;徐存东等[14]研究表明，设置压水板能够显著改善前池主流效应，增强水流平面扩散，可有效保证水泵有利的进水条件;徐韶华等[15]提出前池建成倒坡池底对改善水流扩散条件具有较好的效果。大扩散角前池反坡条件的研究及应用很少，笔者以某泵站工程为研究背景，通过数值模拟方法研究分析了前池的流场分布特征，认为利用反坡条件可以增大扩散角，增加前池容积，提高前池流量调节能力。

1 工程背景

某泵站工程为南水北调中线工程中抽水和反向供水双向运行泵站，设计抽水流量18 m3/s，反向供水为自流运行，设计流量20 m3/s。泵站主要由引水箱涵、前池进口段、前池、主泵房、压力水箱及出水箱涵等建筑物组成，工程纵剖面见图1。工程建设场地比较狭小，泵站前引水渠为有压箱涵且需穿越公路，箱涵高程较低，通过前池进口段上反后连接前池。引水箱涵底高程为-2.33 m，两孔一联4 m×4 m，前池正向进水。为减小工程投资，前池及进水池底高程为0.70 m。泵房安装有5台立式轴流泵，泵房两侧各设置一条自流道，作为反向供水通道。

考虑泵站引水渠为700 m长有压箱涵结构，有压结构对水流变化的调节能力较差，且在工程反向供水时自流水头较高，因此设计时应尽量增大前池容积以增强其调节能力。但受场地条件限制，前池最大长度仅21.5 m。考虑泵站在设计工况运行时，前池进口段出口水流流速较小，断面平均流速为0.56 m/s，若前池水流充分扩散，则前池末端断面平均流速为0.25 m/s，因此原设计方案前池为平面矩形结构，净宽24.6 m。

2 模型建立

2.1 控制方程及计算方法

计算采用标准k-ε双方程紊流模型，数值离散采用有限体积法，二阶迎风格式及VOF方法对自由水面进行模拟。

2.2 计算区域及边界条件

计算模拟顺水流向分别为有压箱涵段20 m，前池进口段12 m，前池21.5 m，进水池7.5 m。計算区域见图2。计算入口采用压力入口，出口控制流量，边壁糙率取0.012[15]。

2.3 计算工况

由于泵站最低水位运行时，前池水深最小、流态最为恶劣，因此重点对该运行条件下前池扩散角进行分析计算。泵站流量为18 m3/s，前池水位为3.7 m，单机流量为3.6 m3/s，工作机组数为5，前池水深3 m。

3 前池水流数值模拟及分析

3.1 原设计方案

为表示前池平面流场分布情况，水平截取前池1/2水深、高程z=2.2 m处平面作为代表，显示前池平面流场（见图3）。同时为分析前池内水流分布变化情况，分别取池首、池中及池尾3个横断面进行对比，各断面流速分布见图4。

计算结果表明，在前池设计水深加大的情况下，矩形前池流场紊乱，水流进入前池后两侧回流强烈，回流最大流速约为0.5 m/s，回流区长度约为15 m，宽度约为8 m，挤压主流明显，致使水流难以充分扩散。泵站运行时，水流的紊动可延伸至进水池内。初始方案中的矩形前池不能满足水泵进流的水流条件，需兼顾容积调节、水流平顺两个条件对前池进行优化。

3.2 优化方案

优化方案考虑适当减小前池扩散角，但受场地等因素制约前池扩散角不能满足规范要求的小于40°，为兼顾前池容积调节、水流平顺两个条件，拟定扩散角为80°的方案一和扩散角为50°的方案二分别进行计算分析。方案一计算结果见图5、图6。

计算结果表明，扩散角为80°时前池入流两侧脱壁现象明显，回流最大流速约为0.12 m/s，回流区域长约为10 m、宽约为4 m，主流中间流线平顺，两侧流线弯曲明显，泵站运行中容易引起两边孔进水池水流紊动，降低边孔水泵工作效率，拟定前池扩散角为80°的方案不能满足工程运行要求。对该方案按工程正常运行水位条件，即前池水位6.4 m，池内水深5.4 m情况进行了模拟计算，结果发现前池两侧仍有回流脱壁现象，两边孔机组进水池流态仍不均匀，可见在前池水位较高的情况下，80°扩散角仍不能满足工程正常运行的要求。

方案二计算结果见图7、图8。计算结果表明当前池扩散角为50°时，前池内无明显回流发生，水流扩散均匀，各进水池内水流稳定，可以保证机组正常工作。国内已建泵站工程前池扩散角大多小于40°（见表1），该工程扩散角已超过规范及工程惯例范围。分析该工程特点，引水箱涵和前池之间高差通过1∶2.5反坡连接，该反坡有利于前池水流稳定扩散，反坡减弱了水流前池扩散中因断面扩大而造成流速减小和沿程压力增大的趋势，可见利用前池反坡可以优化前池扩散角，并保证前池水流稳定。

4 结 论

泵站大扩散角正向进水前池，水流无法有效扩散，主流集中，前池两侧回流明显，边孔水泵吸水条件恶劣。计算表明，扩散角对泵站前池水流流态影响非常明显，随着扩散角度的减小，前池流态逐步改善。通过前池进口段的反坡结构调整了水流扩散分布，使前池水流均匀扩散，通过设置反坡结构可使前池扩散角增大到50°。

本文结合工程已有设计方案，对现有反坡条件下前池扩散角取值范围进行了研究，反坡坡比与前池扩散角的对应关系等尚需进一步深入研究。目前该工程已按推荐方案完成施工，运行过程观测前池水流条件较好，泵站吸水稳定。对受场地、地形等限制而无法满足规范要求的大扩散角前池，可以结合进口设计设置反坡以改善前池流态。对于多泥沙河流的引水及污水排水泵站，反坡的设置应充分考虑淤积问题。

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【责任编辑 吕艳梅】