基于CFD数值模拟的闸站合建进水池设计研究

张鸿伟

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528403)

泵站进水池是连接前池和水泵进口的过渡段，其主要功能是给水泵提供良好的进水流态[1]。当进水池中出现不良流态时，会明显降低水泵的装置效率，情况严重的甚至还会引起机组的气蚀及振动，从而导致机组无法正常工作。目前对于灌排结合或自排与电排合建闸站的地基处理及结构应力的研究成果较多[2- 4]，但对于从水流流态方面进行进水池设计优化的研究较少[5- 6]。考虑到自排或引水功能，水利工程中目前使用最多的是开敞式矩形进水池，这种结构形式其底面高程、宽度、出口侧末端的闸门受闸孔水力设计和结构限制，容易造成水泵进口喇叭口悬空高度、侧壁及后墙与喇叭管中心之间的距离达不到形成良好流态的要求，从而出现进水池水流流态不稳定的现象。

为消除水泵进口旋涡，部分进水池在水泵喇叭管下方设导水锥等构筑物。但增加水泵的最小淹没深度或设置较大的导水锥会占用涵闸自流时过水断面面积和增加局部水头损失，造成涵闸的过流能力下降，而加宽闸孔宽度又会增加工程投资。因此，有必要对自排与电排相结合闸站进水池的结构设计进行深入研究。本文以下沟电排站自排涵和电排站合建进水池为例，应用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术分别对开敞式矩形进水池有无消涡措施的混流泵装置进行3维数值模拟分析，研究不同的消涡措施对混流泵的装置性能的影响，为类似工程的进水建筑物优化设计提供参考。

1 概况

1.1 工程概况

芜湖市鸠江区下九连圩下沟站工程位于芜湖市鸠江区上下九连圩内无为大堤上，主要承担大龙湾排区43.82km2的防洪排涝任务。工程排水标准采用20年一遇最大24h暴雨地面不积水，电排设计排水流量为56m3/s；自排涵有枯水期排洪和改善水系水环境的排水要求，设计排水流量41.3m3/s。为减少长江大堤穿堤建筑物数量，按已批复规划对下沟电排站重建工程排涝站和自排涵合并建设。

排区现状主要为农田，骨干排河大龙河宽度大约25m，近期排水流量为12.0m3/s；随着江北新城大龙湾片区的开发建设和大龙河按规划拓宽至80m，排区排水流量达到设计值。因此，需对电排站按照满足近期和远期设计排水流量相结合的原则设计。经方案比选，结合自排闸与电排站合建方案，电排站共设7台水泵机组，近期由3台小泵机组排涝，远期联合4台大泵机组排涝。泵房共分3联，两侧各联分别安装2台叶轮直径为1880mm立式混流泵(大泵机组)，中间联结合自排涵闸孔宽度，安装3台叶轮直径为1100mm立式混流水泵(小泵机组)，大泵机组单机设计流量为12.5m3/s，配套电机功率为1600kW；小泵机组单机设计流量为4.0m3/s，配套电机功率为500kW，电排站总装机功率为7900kW。

1.2 进水池方案设计

经涵闸过流能力计算，拟定涵闸总净宽12.00m，共3孔，单孔净宽4.00m，底板面高程-2.30m，水泵出水侧箱涵顶面高程1.50m，自排进水池侧设计水位4.00m。各闸孔安装1台1200HLB4- 7.9型立式半调节混流泵，单泵设计流量4.0m3/s，水泵进口喇叭管直径(D)1.60m，水泵中心距进水池进口10.30m，距后壁(自排涵闸钢闸门)11.71m。按照满足水泵最小淹没深度要求确定水泵进水喇叭口高程为0.20m(进水池池宽为2.5D、喇叭管中心线与后墙的距离为6.69D、喇叭口中心的悬空高度为1.56D)，进水池主要控制尺寸和喇叭口中心悬空高度等参数部分超出良好水力性能参数范围[7]，进水池内容易出现旋涡等不良流态。

为减少进水池内消涡构筑物对自排涵过流能力影响，应尽量减少或不设消涡构筑物；为改善进水池水流流态，提高泵装置效率应设置消涡构筑物。从自排涵过流能力、进水池流态及泵装置效率3个方面考虑，设计3种进水池比选方案并在后续设计中采用CFD数值模拟进行比选。

方案1：为尽量降低进水池消涡构筑物对自排涵闸过流能力的影响，对进水池喇叭口处底部不做任何改变，方案结构图如图1所示。

图1 进水池方案1

方案2：为改善进水池流态，在喇叭口正下方设置传统的铸铁导水锥，导水锥高度2.5m，底部直径3.60m，导水锥顺水流截面面积2.39m2，方案结构图如图2所示。

图2 进水池方案2

方案3：为改善进水池流态和尽量降低消涡构筑物截面面积，在喇叭口正下方顺水流方向设置隔流墙，隔流墙长4.4m，高2.0m，下部宽0.4m，上部宽0.1m，呈线性变化，并在两端进行修圆，顺水流截面面积0.50m2，方案结构图如图3所示。

图3 进水池方案3

2 数值模拟

CFD技术可以得到泵站内任意位置的流动细节如速度、压力、能量损失、压力脉动、湍动量和漩涡等，从而可进行水泵装置的特性预测及性能优化[8]。因此，采用CFD对3个方案的进出水流道内的水流流态进行三维数值模拟计算，并应用数值模拟计算结果指导进水池水工设计方案的比选。

2.1 控制方程和计算方法

CFD计算控制方程为粘性流体力学的动力学方程和湍流力学中的动力学方程。泵站开敞式进水池内水流的流动属于不可压缩湍流流动。湍流流动具有高度复杂的三维非稳态、带旋转的的不规则运动，湍流中任何物理量总是随时间和空间在脉动的变化着。本文采用基于不可压缩的非稳态的连续方程和纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)，以及基于涡团黏性假设的标准k-ε紊流模型方程，利用相关软件进行流场计算[9]。

2.2 计算物理区

以设计水位对应的工况为分析对象。小泵机组水泵为1200HLB4- 7.9型立式半调节混流泵，单机设计流量为4.0m3/s，进水池宽为4.00m，底板面高程-2.30m，水深5.30m。进水池计算物理区域包含进水池、水泵进口喇叭管等。为研究泵装置效率，对水泵、出水管、出水流道等区域也进行计算。

2.3 数值模拟边界条件

计算模型的进口断面设置在垂直于水流方向的进水池进口处，计算断面的水流为均匀流，计算进口流速为0.19m/s。计算模型的出口断面设置在垂直于水流方向的出水流道末端处，采用自由出流边界条件。

3 进水流道水力性能评价指标

对于闸站合建的进水池，其性能优越的主要评价内容可表述如下：

(1)结构尺寸设计合理，池壁表面平顺，在各工况下，池内水流不产生涡带或其它不良流态。

(2)进水池的各断面面积沿程变化应尽可能的均匀，出口断面处的平均流速设计值合理，水压力较为均匀，能够将水流平顺地导入水泵的进口，为水泵提供良好的进水条件。

(3)尽量减少水力损失。

(4)尽量降低对自排涵自排的影响和满足水工结构设计等方面的要求[10]。

进水池出口轴向流速分布均匀度：

(1)

入泵水流加权平均角：

(2)

式中，uti—水泵进口断面各单元的横向速度，m/s。

4 数值模拟结果及分析

为区分各方案的优劣，对3种进水池设计方案进行数值模拟，在设计流量下对比并分析各方案的内部流态[11- 12]。各方案的三维流线如图4—6所示。限于篇幅，本文仅给出各方案中间剖面速度云图，如图7—9所示。

图4 方案1三维流线

图5 方案2三维流线

图6 方案3三维流线

图7 方案1中间剖面速度云图

图8 方案2中间剖面速度云图

图9 方案3中间剖面速度云图

根据CFD计算结果预测不同方案下进水流道水力性能的评价指标见表1。

涵闸自排时，闸上水位4.00m，设计单孔过闸流量13.70m3/s，根据局部水头损失计算公式和淹没压力流涵洞过流能力计算公式，计算得方案1闸下水位为3.79m。分别代入方案2导水锥参数和方案3隔流墙参数，算得闸上水头局部损失和自排闸过闸能力影响计算结果见表1。

表1 不同方案性能参数对照表

由上表可知，3种方案的泵装置性能指标均可以满足设计要求。方案1无任何削涡措施，会引起池底附底涡和池中漩涡进入水泵进口，导致机组性能下降和产生水力振动。但因进水池中无其他构筑物，不会引起构筑物的局部水头损失，对自排涵的自流功能无影响。

方案2性能指标较方案1优，在设计流量下，方案2的进水流态较好，流道水力损失较小，泵装置效率较方案1提高1.28%。但方案2同方案1一样，水泵叶轮旋转产生的漩涡进入水泵进口后，容易导致水泵机组产生水力振动和性能下降。另外，方案2设置的导水锥占用自排涵过水断面面积2.39m2，约占总过流面积的11.27%，排水能力较方案1降低10.88%，对自排涵的过流能力影响较大。

方案3性能指标优于方案1和方案2，水泵进口处水流流态也更加均匀、平稳，泵装置效率最高，较方案1提高1.48%，较方案2提高0.20%。方案3中的隔流墙对池底的附底涡和池中的旋转涡均有较好的消除和阻断作用，同时该方案隔涡墙占用自排涵过水断面面积0.50m2，约占总过流面积的2.36%，排水能力较方案1降低2.77%，基本不会对自排涵的过流能力产生影响。

因此，下沟电排站自排涵闸和小泵机组进水池在最终的水工设计方案中推荐采用了方案3。

5 结语

(1)本文基于CFD的三维数值模拟分析和自排涵的过流能力进行比较，最终选择了水流流态好、水泵装置效率最高、水头损失最小和过流能力影响较小的方案3(即进水池内设隔流墙)。

(2)在闸站工程的进水池结构设计中引入CFD三维数值模拟等计算手段，可以在不具备物理模型试验条件或工期较紧的情况下，进行多种结构设计方案的比选，使设计方案更合理、经济。

(3)本文基于数值模拟计算结果进行进水池设计方案比选，为进一步验证选定方案的优越性，后续还需要进行水工物理模型试验。同时，也希望未来有更多的水利工程做类似的研究和实践，从而推动水利工程设计和建设的发展。