探索排涝工程泵站进水流道优化设计

韦理常

精佳建设工程集团有限公司 重庆 九龙坡 400050

0 引言

无论是在旧河道整治还是排涝工程，进水流道参数的优化设计都显得尤为关键。进水流道是泵站前池和水泵叶轮室之前的过渡装置，是为了保证水流稳定性，提高水力设计质量的基本环节。传统设计将会影响到叶轮室内水流流态，也可能会导致脱流现象发生，从而影响水泵装置的使用功能。CFD数值模拟技术适应能力强，例如可选择不同流动参数进行各种数值的模拟和分析。其不受物理模型和实验模型的限制，具有较高的灵活性。但是，其也存在一定的使用局限性。本文就分别从进水和出水流道两个层面，重点对进水流道优化设计和出水流道边界条件的优化进行探讨，旨在为提升水利工程设计质量奠定坚实理论基础。

1 水利工程进水流道优化设计

按照水利工程《泵站设计规范》的相关规定，要求进水流道的线型结构应该是平滑、平顺的，各个流经的断面也应该是均匀合理的，而我们都知识水体的流速是根据流经断面的变化而变化的，不同断面，水流速度是不相同的。例如在弯道，水流由于受到惯力的作用，会与离心力共同作用，导致内流流速高于外侧的流速，待水流流经直线断面时，流速又会进行重新的调整、重新的分布。

在直线上升阶段，水流会由于平面方向发生一定程度的扩散，并且流速会出现降低，流速的分布进一步的变化。

在流道的进口部分，如果水流处于弯曲的部分，就会受到惯性影响，因此在直线的上升部分水流的速度比下降部分要快。在驼峰地区，为提高水流挟气力，降低虹吸时间，可借助优化加速流度，进一步对直线上升部分进行调整。在驼峰入口，要保持断面部分流速均匀。设计上还要考虑流体通过驼峰断面，具有离心作用，中下流速比上部高。由于流道下降区，水体的惯性和边壁之间的联系是相同的，流道内、外侧的水体以较高的速度流动，流速在平缓状态下变化，很少出现旋涡或脱流。泵站开工后，水流从引渠进入前池，经进水通道到达叶轮室，设计中要考虑边界情况，分析地点是否适合。进口边境条件的快速优化适用于无压缩流体的设计，在设计中要注意速度不会受到影响。

因此，为了避免流体在进口中受到影响，对流体速度的分布进行优化。借助于计算流道边界的条件，借助于模型对水流道的数值变化，优化了流场进口的断面，前池要比进水道的入口远得多。如果流道与水的方向垂直，则可认为流速均匀分布在断面上，流量计算与进口的边界相结合，可将进口速度视为边境条件。为了准确地计算出口边界，优化时要结合流场，将沿出水方向的进口流道延长，以保证自由流的边界性得到充分扩大，使自由流的边境条件得到满足。

2 出水流道边界条件优化

针对泵站出水通道，要结合流量变化和压力的变化。水流通过导叶体的出口旋转进入水流通道，然后进入出水通道。由于导叶体的出口有断面压力，水体流速不均匀，但这个数据很难测出来。为了精确地测定进口的边境条件，利用流场变化的方法进行优化计算，使出水流道沿逆水流方向在进口部分的断面上等直径延长。进口流场断面可以用距圆管的2倍直径来计算流道的距离。水流的速度被视为是均匀的分布。计算中的流量是以已知的条件为基础，计算流场进口的边界条件，研究是否能够满足边境条件的进口速度。计算水流道流场，出口断面选择垂直水流方向，设置于距离出口道水流平稳区域，针对出口水流的方向优化，以保证流动充分的水流，可借助于自由出口边界条件。针对流场计算，还要将水池的底壁、远流道和导叶出口边壁结合起来。边界处理的依据是固壁定律。对固壁边界进行处理，是为了保证不受滑动的影响，对固壁部分进行优化。针对固壁节点端流的优化，可采固壁对数函数进行处理。

3 流道的网格计算

水利工程中流道的优化设计可借助网格计算开展，其是建立有限元模型的关键，因此在具体的优化设计过程中，要充分的结合有限元模型，对网格进行合理划分，并且降低对计算精度的影响。在数值计算优化的过程中，要充分的结合数值优化过程，符合进水和出水流道水流数值，借助三维立体软件，对不同区域采取网格类型，还要结合网格尺寸是否与进水流道流场相互符合。此外，网格的划分过程中，要对具体的数值收敛情况进行细化，对收敛精度产生的影响进行细致的分析，因此在多次优化后，要进行多方面的综合比较，确保获取最为有效的网格。

4 结束语

综上所述，排涝工程泵站进水流道的优化设计影响因素是多方面的，因此要结合具体的水利工程，开展综合性分析。首先，需要通过进水流道优化设计，避免流体在进口中受到影响，对流体速度的分布进行优化，建立模型，开展数值动态分析；其次，出水流道边界条件优化，保证出口道水流平稳；最后应开展流道的网格计算，明确各个参数的计算要求，确保结构设计方案的最优化。