大型泵站进出水流态优化与方案优选

刘永刚，李学德，华 臻，吴 政

(1.江阴市长泾水利农机管理服务站，江苏 江阴 214400； 2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；3.江阴市水利工程公司，江苏 江阴 214400； 4.江阴市新桥水利农机管理服务站，江苏 江阴 214400)

1 工程背景

某新建大型泵站(三站)单向引水泵站，设计流量为340 m3/s，选用8台立式混流泵机组(7用1备)，单机设计流量为48.6 m3/s，主水泵叶轮直径3 800 mm，配7 000 kW立式电机8台套，总装机容量56 000 kW。包括主站身、下游清污机桥、上游铁路桥下防护等。主站身与徐宿淮盐高铁桥之间距离为560 m，与下游清污机桥距离为56 m。泵站等级规模为大(Ⅰ)型，主要建筑物等级为1级。

三站可研阶段设计两工程布置方案参考比较。方案一：在现有睢宁二站西侧新建睢宁三站，三站中心线与二站中心线夹角约为43°，两站站身之间的距离约为170 m，泵站与徐宿淮盐高铁桥距离约为560 m；泵站采用90°侧向进水、约50°角侧向出水与徐宿淮盐高铁桥下过水孔衔接，工程位置见图1。方案二：在现有二站西侧新建三站，三站中心线与二站中心线平行，两站中心线之间的距离约为170 m，泵站与徐宿淮盐高铁桥距离约为570 m；泵站采用正向进水、90°角侧向出水与徐宿淮盐高铁桥下过水孔衔接，工程位置见图2。

方案一泵站进水侧与引河正交，方案二泵站进水侧与引河成一定角度斜交，方案二泵站进水条件基于工程经验下优于方案一。方案一、方案二泵站出水条件仅评工程经验难以评价各方案出水条件。综上所述，为了提高泵站水泵机组效率，防止出现泵站进出水出现大尺度漩涡等不良流态，故该泵站可研设计方案采用CFD数值模拟评价方案一、方案二泵站进出水条件的优劣。

2 相关规定综述

为保证水流流向泵站机组的过程中能够平顺扩散，为泵站机组提供良好的流态，泵站进水一般采用正向进水；当泵站进水为侧向进水或者斜向进水需要采取工程措施[1]。泵站出水水流要平顺稳定，流速一般不超过2 m/s，在水流汇集过程中不发生剧烈碰撞及水面雍高等现象，满足防冲稳流的要求，不能影响其他水工建筑物正常运行，必要时采取相关整流措施进行水力优化[2-5]。

3 数学模型

根据可研方案布置，该站主要总体布置为引渠、进水池、站身、出水池。

泵站引渠：三站与二站共用引渠，需扩挖原二站站下引渠。由于场地位置的限制，新建睢宁三站进水直线段长度仅为200 m，故需降低引渠流速来优化泵站进水流态，最低运行水位工况下流速约为0.53 m/s。

泵站进水池：紧靠主泵房站下布置，采用两侧直立墙结合钢筋混凝土护底防护，与泵站站身等宽，墙后采用1∶3边坡至地面高程23.00 m。

泵站出水池：受泵站主站身北侧约500 m徐宿淮盐高铁桥限制，泵站出水池及出水渠均采用直立墙挡墙结构型式与徐宿淮盐高铁桥桥下出水渠衔接，东侧出水池与二站出水池西侧新建双排灌注桩墙衔接。

根据可研方案中泵站工程建筑物及河道布置情况，按照1∶1(单位：m)比例，建立水流三维数学模型，其中进水引渠长度大于5倍水面宽，满足规范要求。

4 计算设置

4.1 控制方程

该泵站工程水流流动区域三维数值模拟采用三维雷诺时均N-S方程来描述其不可压缩湍流流动，方程式如下:

连续性方程：

雷诺时均N-S方程：

式中：ρ为流体密度；t为时间；ui(i=x，y，z)速度沿i方向的分量；p为压力；v为流体的运动黏性系数。

4.2 可实现k-e模型方程

计算湍流模型选择realizable k-e方程，对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离、强流线弯曲、漩涡和旋转、二次流有很好的表现。

4.3 边界条件设置

进口设置为速度进口；出口设置为自由出流，水流与空气接触面为刚盖假定，其余壁面均设为无滑移壁面条件，设定参考大气压力为1 atm。所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为5×10-4。

5 泵站进出水水流流场分析

计算工况采用徐洪河设计输水水位，泵站上游水位21.63 m，下游水位13.03 m，泵站设计流量340 m3/s。

5.1 方案一计算结果

进水侧：当引河下游闸门关闭，泵站为侧向进水，引河弯道水流以较大弯道曲率形式进入进水池，弯道水流外侧出现大尺度回流和死水区，回流流速范围0.1～0.2 m/s，死水区流速范围0～0.1 m/s；弯道内侧出现小范围回流，回流流速范围0.1～0.45 m/s之间，弯道主流流速0.5 m/s左右，最大流速0.7 m/s以上。水流流态、流速分布具体详见图3、图4。

图3 方案一泵站进水流态分布云图

图4 方案一泵站进水流速分布云图

出水侧：泵站出水侧与一站、二站共用较大面域出水池，泵站出水流态平顺，无不良流态，3个站单独运行出水池不出现大尺度漩涡。泵站出水池主流流速0.4 m/s左右，最大主流0.7 m/s左右，对出水池两岸不造成严重水流冲刷。综上，该泵站出水池设计合理，水流平顺，流速分布较为均匀，水流流态、流速分布具体详见图5、图6。

图5 方案一泵站出水流态分布云图

图6 方案一泵站出水流速分布云图

5.2 方案二计算结果

进水侧：当引河下游闸门关闭，泵站为侧向进水，引河弯道水流以较小弯道曲率形式进入进水池，弯道水流外侧出现大尺度回流和死水区，回流流速范围0.1～0.2 m/s，死水区流速范围0～0.1 m/s；弯道主流流速0.55 m/s左右，弯道内流态平顺，流速分布均匀；水流流态、流速分布具体详见图7、图8。

出水侧：泵站出水右侧大弧度岸墙形成大面域出水池，泵站出水水流形成弯道水流，主流流速0.4 m/s左右，在一站、二站不开机情况下出水池中会形成大尺度漩涡。该泵站出水池土方开挖量大，投资高，另外3个泵站单独运行时会在池中形成大尺度漩涡等不良流态。水流流态、流速分布具体详见图9、图10。

图7 方案二泵站进水流态分布云图

图8 方案二泵站进水流速分布云图

5.3 方案优化

方案一泵站侧向进水，进水时弯道水流曲率大，弯道内侧出现小范围回流；方案二泵站正向进水，进水时弯道水流曲率小，弯道内流态平顺，流速分布均匀。方案一泵站出水流态平顺，无不良流态，3个站单独运行出水池不出现大尺度漩涡针；方案二泵站泵站出水水流形成弯道水流，3个泵站单独运行时会在池中形成大尺度漩涡等不良流态，且该出水池土方开挖量大，投资高。针对方案一、方案二泵站进出水的优缺点，将各方案优点结合形成方案三。方案三泵站采用正向进水、约50°角侧向出水与徐宿淮盐高铁桥下过水孔衔接，形成最终可研方案。方案三平面布置详见图11。

图9 方案二泵站出水流态分布云图

图10 方案二泵站出水流速分布云图

图11 方案三

6 结 语

通过数值模拟分析了该泵站各方案进出水水流流态、流速分布情况，指出各方案的优缺点，并结合各方案优点形成最终可研方案，结论如下：

1) 方案一泵站侧向进水，进水时弯道水流曲率大，弯道内侧出现小范围回流；方案二泵站正向进水，进水时弯道水流曲率小，弯道内流态平顺，流速分布均匀。

2) 方案一泵站出水流态平顺，无不良流态，3个站单独运行出水池不出现大尺度漩涡针；方案二泵站出水水流形成弯道水流，3个泵站单独运行时会在池中形成大尺度漩涡等不良流态，且该出水池土方开挖量大，投资高。

3) 针对方案一、方案二泵站进出水的优缺点，将各方案优点结合形成方案三。方案三泵站采用正向进水、约50°角侧向出水与徐宿淮盐高铁桥下过水孔衔接，形成最终可研方案。