侧向泵站进水前池流态数值计算与优化

王 琪，朱文辰，周济人，杨 帆

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.南水北调江苏项目管理有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

泵站的进水建筑物主要由前池和进水池等组成。进水建筑物的合理选址和优越的水力设计可以提高水泵的运行性能及保证整个泵站的稳定运行。泵站进水依据前池与进水池的位置分为正向、侧向进水两种。正向进水前池的水流与进水池水流的方向大致相同，水流相对较为平顺且设计施工方便；侧向进水前池的水流与进水池水流存在一定的角度，易发生回流、导致断面流速分布不均匀。受限于地理条件以及其他相关因素，当正向进水无法布置时，会采用更为紧凑的侧向进水。且为了改善进水建筑物可能出现的不良流态，工程上一般采用修建导流柱［1］、导流墩［2］、导流墙［3］、导流板［4］、设置底坎［5］、设置压水板、水平消涡梁等整流措施。

本文对某泵站进行数值计算研究，查阅相关设计资料发现该泵站的前池兼顾通航要求，且日常运行水位高于进水池进口。故考虑到地形等限制，采用侧向进水形式，泵站位于船闸的一侧，侧向进水导致前池与进水池中心轴线大致呈直角，易造成主流形成脱壁绕流及产生较大旋涡，在进水池内形成竖直、水平两个维度流态不均现象。为了研究泵站日常运行状态下进水池内可能产生的不良流态，借助相关计算机软件对现有泵站进行三维建模并采用数值计算。通过计算得到进水池内的相关断面流速云图及流速不均匀系数，分析并提出相关的整流方案，将各个方案得出的流线云图及流速不均匀系数进行对比、分析和总结，最后选取整流效果相对较好的方案。

1 泵站计算模型及数值计算

1.1 计算模型

使用计算机建模软件对泵站进行三维建模，泵站进水建筑物平面布置图、进水建筑物详图示于图1。

图1 泵站进水建筑物三维模型图Fig.1 Three-dimensional model of the water intake structure of the pumping station

泵站前池内及进水池内流动为高雷诺数［6］、不可压缩的三维紊流流动。基于水流为充分发生的紊流，故本文使用的计算方法为雷诺平均法［7］和有限体积法，紊流模型［8］则选用Standardk-ε模型。

1.2 边界条件设定

数值计算时，边界条件的设定会影响计算结果的精度和可信度，故以泵站设计参数作为设定依据，边界条件的具体设定如下：创建前池距离进水池100 m处断面作为进口边界，设置为质量流且强度为5%［9］；选择水泵所有出水口断面为出口边界，设定为平均静压，压力值为1 atm［10］；选择整个建筑物的所有边壁面及底面作为墙面，设定为无滑移壁面［11］；选择前池和进水池水面作为自由液面且计算时不考虑水面剪切力［12，13］。

1.3 网格划分及无关性分析

基于此泵站的进水池采用侧向布置形式，各构件繁杂，因在软件ANSYS Mesh 中采用四面体非结构化网格对三维模型进行划分，三维模型网格划分结果见图2。网格的数量及质量会对数值计算结果产生影响，在保证三维模型精度和减少计算量的要求下，则需对其进行无关性分析。以前池距进水池100 m处和水泵出水口处为特征参数计算不同网格数下的水力损失［14］：

图2 三维模型网格图Fig.2 Three-dimensional model grid

式中：hf为水力损失；Pin为进口处总压强；Pout为出口处总压强；ρ为水在4 ℃下的密度；g为重力加速度。

不同网格数及其对应的水力损失结果见表1和图3。

表1 水力损失计算结果Tab.1 Calculation results of hydraulic loss

图3 不同网格数下的水力损失Fig.3 Hydraulic loss under different grid numbers

由图3 可见：水力损失随着网格数的大幅度增加而逐渐减少，当网格数增加到860万左右并继续增加后，水力损失计算值趋于稳定，满足网格无关性要求，所以本次计算网格数量确定为860万。

2 特征断面和评价指标

2.1 特征断面选取

本次计算共选取在距离进水池出口8.0 m 处作为1 个竖直剖面，X轴对应坐标为X=21.0 m；选取水平方向的面层、中层和底层3 个特征断面作为3 个水平剖面，Z轴坐标分别为Z1=4.2 m，Z2=2.25 m，Z3=0.80 m。通过剖面的流速云图来分析进水池内的水流流态，竖直、水平剖面位置示于图1（b）。

2.2 流速不均匀系数

轴向流速分布不均匀系数Pu是用于定量反映竖直特征断面的轴向流速分布不均匀程度的评价指标，按下式计算［15］：

式中：Pu为断面轴向流速不均匀系数；Vai为断面各节点的轴向流速，m/s；Va为断面平均轴向速度，m/s；n为断面计算总单元数。

轴向流速分布不均匀系数越小表示断面流速分布越均匀。

3 原始方案下进水池的数值计算及分析

通过数值计算与图形软件处理，得到各个进水池3 个水平维度的流线图，同时选取竖直特征断面计算相关流速不均匀系数，综合两方面来分析进水池内的水流流态状况。原始方案结果示于图4。

由图4可见：由于进水池存在挡水板的原因，且出口所处位置低于面层所在水位，导致面层部分水流被阻挡，面层出现了较大范围的低流速区。中层流线图可知，1～5 号进水池均有一定程度的偏流现象，其中1～4号进水池左侧壁流速相较高，水流绕过水泵后继续保持高速流动，并向右边壁处形成逆流，造成进水池内大范围旋涡，对水泵的吸水造成了较大的影响。通过底层流线图可知，除了5 号进水池在前池受两侧相向水流的影响下流态较为平稳，其余4个进水池均产生了不同程度的偏流，其中1 号进水池最为严重，并在进水池右边壁形成小范围低压区及旋涡。

图4 原始方案下面层、中层、底层流线图Fig.4 Streamline diagram of the lower，middle，and bottom layers of the original plan

综合3 个断面流线图可知，1 号和2 号进水池流态相对较差，这与现场泵站实际运行中出现的情况相似。5 个进水池中的靠近水泵出水口竖直维度特征断面速度云图见图5。

图5 进水池特征断面流速云图Fig.5 Flow velocity cloud diagram of the characteristic section of the inlet tank

经流速云图可知，5号进水池流速分布较为均匀，由于挡水板的存在，导致面层流速较低，底层的流速均相对较高，导致面层与底层存在流速差，但整体流速呈适中；2、3、4 号3 个进水池中高流速或低流速区都处于一侧，断面的流速分布不均匀；1号进水池的右侧产生了较大范围的高流速区，问题最为严重，底层高速流速区翻向面层低速流速区，形成螺旋流，整体流速分布不均，影响水泵的进水条件。

各进水池断面流速不均匀系数及对比图见表2。

由表2 可知：1～4 号4 个进水池的流速不均匀系数依次减小，可得4 个进水池内水流流速状况随着单侧向进水拐弯半径的增加而趋于稳定；5号进水池在双向来流的作用下，流速不均匀系数小幅度增大。

表2 各进水池断面流速不均匀系数Tab.2 Coefficient of uneven flow velocity of each inlet pool section

4 相关整流措施下进水池的数值计算及分析

4.1 整流方案的设计

为了改善各个进水池内的不良流态问题，考虑采取相关的整流措施。考虑到实际情况，泵站的前池兼顾着通航作用，故不能在前池中设置相关整流措施，在最终实际施工与整体结构安全情况下，初拟在五个进水池与前池交界处处布置不同组合的导流栅来改善进水池内的不良流态，以提高水泵效率及保证水泵组安全运行。

从导流栅格栅的数量、单格栅宽度和格栅间距离出发设计，限定整体格栅高度与厚度，各方案详情见表3和图6。

图6 4种导流栅整流方案布置图（单位：cm）Fig.6 Layout of four diversion grid rectification schemes

表3 各导流栅整流方案布置详情Tab.3 Details of the layout of each diversion grid rectification scheme

4.2 各整流方案的数值计算结果

导流栅各整流方案的数值计算流线图及流速不均匀系数的计算结果分别示于图7和表4。

表4 各方案特征断面流速不均匀系数Tab.4 The coefficient of uneven flow velocity at the characteristic section of each scheme

图7 4种导流栅整流方案水平剖面流线图Fig.7 The horizontal cross-section streamline diagram of four flow-guide grid rectification schemes

对比原始方案与各个整流方案的流线图和流速不均匀系数可知，各个进水池中的不良流态有一定程度的改善且流速不均匀系数也均有不同程度的减小。对比各个面层的流速图可知，导流栅的增设对改善进水池内两边流速差较大问题有一定成效，同时缩小了各个进水池内面层的大范围回流区。

考虑到导流栅的主要作用是改善流束偏斜问题，故中层流态比面层流态改善效果更佳，1～4 号进水池由于偏流产生的右边壁旋涡区域明显变小。在设置导流栅后，在导流栅作用下使前池中水流可以提前偏转流入进水池。受限于导流栅相对进水池总长度较短，水流经过导流栅整流后还存在一定偏角，导致右边壁的低压区范围有所增大，改善了原本水泵进水喇叭口的旋涡情况，但水泵喇叭口附近低压区范围的增大依旧影响水泵的进水。对底层流态改善主要消除了原方案1号进水池内的旋涡及底层流速分布更均匀，且2～3 号进水池中的低压区范围有所缩小。

4.3 各整流方案的效果综合分析

（1）导流栅格栅数量对整流效果的影响：通过初步的数值计算结果可得导流栅对改善侧向泵站的进水池内流态有一定作用，但实际工程侧向进水转角过大，2 个格栅的效果不明显。故方案2 将五个进水池进口处的导流栅格栅的数量改为3 个，格栅尺寸保持不变且格栅相邻间距相等。通过结果可知，水流通过导流栅可以较为平顺的进入进水池，缓解原本存在于进水池内的水流偏流问题；中层的旋涡范围也明显减少。结合实际需要考虑，若一味增加格栅数量会影响进水池内的流量，因此根据前两个方案中的各个进水内的流速不均匀系数的变化，增设方案3 为“3+2”型组合布置形式。通过对比方案3 与方案2，减少了3 号进水池进口处的格栅数量导致增大了中层的旋涡区，但各个进水池内的流速不均匀系数平均值相继减小，整体流态得到较大改善。

（2）导流栅格栅宽度对整流效果的影响：在方案3 基础上，考虑继续减小格栅的宽度。在设计与施工条件符合规范下，方案4 减小格栅的宽度，即在方案3 的基础上，只将格栅宽度缩短至0.1 m，其他相关参数保持不变。通过方案4的数值计算结果可知，减小了单个格栅的宽度可以让水流更好流入进水池，各层的流态也趋于平稳，各个进水池内的流速不均匀系数均小幅下降，变化趋势见图8。

由图8 分析可知：相比原方案，各个整流方案下的5 个进水池内的流速不均匀系数均有所下降。对比方案1～4，各进水池流速不均匀系数最低点都来自方案4，由此可知方案4 的整流效果相对较好。

图8 流速不均匀系数变化图Fig.8 Variation graph of flow rate non-uniformity coefficient

5 结语

（1）侧向泵站水流受惯性作用流入进水池会在其内部产生不同的程度的偏流、旋涡和水流脱壁等不良流态。

（2）在进水池口增设导流栅整流措施后，改变了水流流速及转角，能够一定程度改善各个进水池内的各层水流流态，即相较原方案将面层大面积的回流区转为小面积的旋涡，并缓解了中层的水流回流程度和大致消除了底层旋涡及边壁低速区，使各层流线更加顺直，起到较好的整流效果。

（3）综合流线图及流速不均匀系数结果表明：在1～2号进水池布置3 格栅，3～5 号进水池布置2 格栅，单格栅宽度取0.1 m，可以取得最佳的整流效果。该研究结果可为类似泵站工程前池流态改善提供一定参考价值。