梯级泵站侧向进水池整流消能数值模拟研究

刘俊华 王梅芳

摘要：为了研究远距离管道输水工程中梯级泵站侧向进水池流态稳定问题，基于雷诺时均N-S方程，采用标准k-ε湍流模型和流体体积法（VOF）对无措施、消能墩、挡水墙和导流孔4种方案进行整流消能数值模拟研究，对比了4种方案的流线特性、流速矢量和漩涡特性。结果表明：侧向进水池的进水槽尾部高速水流进入泵站进水池容易形成较大漩涡。消能墩和挡水墙方案降低了进水槽内水流速度，但效果不明显，进水池内仍形成漩涡。导流孔方案使水流在进水槽内紊流消能，再通过导流孔平稳进入泵站进水池，进水池内水流速度接近零，整流消能效果显著。研究成果可为梯级泵站侧向进水池的整流消能提供技术支撑。

关键词：整流消能；流体体积法；梯级泵站；导流孔；侧向进水池；漩涡

中图法分类号：TV222.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.016

文章编号：1006-0081（2024）02-0099-05

0 引 言

进水池是泵站的重要组成部分，泵站机组吸水管从进水池稳定均匀取水，以保证机组的安全、稳定、高效运行。然而，进水池内流态紊乱和漩涡会导致空化、振动和叶片负载过大等问题，直接影响泵站的运行效率和安全。因此，泵站进水池整流消能是泵站设计的关键。

近年来，国内外对泵站进水池流态和VOF气-液两相流模型进行了研究，不少学者对轴流泵进水池内水流流动特性进行研究，并提出一些整流措施。马凌腾等运用VOF方法的自由液面对低扬程轴流泵影响进行研究，结果表明：实际运行中，重力因素和自由液面的存在对大型低扬程泵装置影响较大。李明等利用数值模拟方法对泵站进水池内部流动特性进行研究，分析了水池内流速对涡量的影响。何耘对进水池旋涡的水力模型相似性、PIV现代量测技术的应用及数值模拟的最新研究进展进行了综述。丛国辉等对湍流模型在泵站进水池漩涡模拟中的适用性进行研究，研究表明k-ε模型对进水池表面涡、附底涡和附壁涡的位置和形状预测比较准确，对漩涡的切线速度和环量的预测也与试验值更为接近。Constantinescu、Rajendran等采用标准k-ε模型对泵站进水池模型内部流动进行了数值模拟，研究了进水池内各种漩涡的产生情况。马涛、孔德谦、常鹏程、王勇等采用数值模拟方法对轴流泵进水池流态进行数值模拟，并提出适用的整流措施。这些研究大多针对正向进水池，前端衔接明渠、河道和箱涵等无压建筑物，布置空间较大。而对于高原山区远距离管道输水工程梯级泵站侧向进水池内的流动研究较少，此类进水池受空间限制，只能布置成侧向进水，且水池尺寸较小，容易形成漩涡，影响水泵机组的运行。因此，有必要对梯级泵站侧向进水池内的流动特性进行研究，并提出适用于工程的整流措施。

本文以远距离管道输水工程中敞开式泵站侧向进水池为研究对象，采用雷诺时均N-S方程，标准k-ε湍流模型和流体体积法对无措施、消能墩、挡水墙和导流孔4种方案分别进行数值模拟研究，根据模型计算结果对比分析得到较优的整流措施，为侧向进水池的整流消能设计提供技术支撑。

1 工程概况

大中河二级泵站位于云南省普洱市，根据工程整体运行布置，二级泵站进水池的布置位置和空间受限，泵站进水池型式只能为侧向进水，水池内流态不能充分扩散，易形成漩涡，影响机组运行。

二级泵站进水池进水槽连接一级泵站提水管，设计流量Q=5 m/s，管道直径D=1.6 m；泵站布置4台机组，单台水泵的设计流量为1.25 m/s，吸水管设计直径D=1.0 m，侧向进水池尺寸为42.82 m×8.50 m×6.00 m（长×宽×高），水池设计正常水深H=5.0 m，大中河二级泵站侧向进水池平面布置如图1所示。

2 研究方法

本文采用VOF多相流模型和标准k-ε湍流模型，对4种方案进行整流消能数值模拟研究。

连续方程：

动量方程：

湍动能k方程：

耗散率ε方程：

上式中：t为时间；μ，μ为速度分量；x和x为坐标分量；v为动力黏性系数；ρ为水-气两相交界面流体密度；v为湍流黏性系数；p为压力值；f为质量力；C為平均速度产生的紊动能；C，C为模型常数，分别取1.32，1.85；σ，σ为湍流Prandtl数，分别取1.0，1.2。

3 数值模拟

本文主要对4种方案进行整流消能数值模拟研究，方案特性如表1所示。为保证计算结果对比分析的可靠性，各方案计算模型仅整流消能措施不同，边界条件、网格尺寸和求解器参数设置保持一致。

3.1 模型简化及边界条件

3.1.1 模型简化

二级泵站侧向进水池进水端为一级泵站提水管，出水端连接泵站机组的4条吸水管。

本文主要研究水池内水流流动特性，将一级泵站提水管简化为长5 m的管道，出水端仅对进水池至水泵机组进口的吸水管部分进行建模。将计算域按重力相似准则进行建模，几何比尺为1∶10。根据重力相似准则推导求得各项比尺参数如下：几何比尺L=10，流速比尺V=L=3.16，流量比尺Q=L=316.23。各方案简化模型如图2～5所示。

3.1.2 边界条件

4种方案模型的边界条件一致，仅改变流体域内的整流措施。侧向进水池进口边界条件为质量流量进口，相对静压为0，水相占比为100%。每个吸水管出口边界为速度出口，速度方向与吸水管轴向一致，给定水流为匀速流动，水相占比为100%。水池顶部为压力出口边界，相对静压为0，气相占比为100%。固体壁面设置为无滑移边界，不考虑固体壁面的粗糙度。计算域边界条件如表2所示。

3.2 网格划分及模型验证

本文使用CFD软件多面体网格生成器对目标体进行网格划分，具有较高的网格质量。而且，多面体网格同时具有六面体网格的精确度和四面体网格的易生成性，以及比四面体网格更好的收敛性和更小的網格依赖性，大大降低硬件资源的要求和计算时间。

泵组吸水管喇叭口处需要切割出管道壁厚度，该位置间隙狭小需要进行网格加密。为保证计算结果的准确性，在不同网格数量下计算无整流措施方案的效率，并监测湍动能和湍流耗散率等参数的残差曲线。当网格数量较少时，随着网格数量增加，计算效率逐渐增加，残差曲线朝更小的数值收敛（表3）。当网格数量接近280万个时，计算效率接近，差值不超过1%，同时所有残差曲线均小于1×10。

最终选定计算域基础网格尺寸均为0.01 m，通过多面体网格划分后，计算域的网格质量较好，最终生成的计算区域网格总数量为285万个，多面体网格划分如图6～7所示。

3.3 结果分析

通过流场内流线分布、漩涡、流速矢量及其均匀度指标判定整流效果。当流场内水相流线分布均匀、漩涡较少和流速较小时，即达到整流目的，能有效增加机组运行时的安全性、稳定性和高效性。

3.3.1 流场内流线分布

根据VOF模型气-液两相流的特点，绘制计算域内水相百分比大于50%部分的流线。图8为进水池无整流措施方案的流线矢量图。图8中，水流翻过进水槽在泵站进水池内形成两个漩涡，分别位于2号和3号机组进水管上部，进水池内流线速度较大且紊乱。图9为进水槽内布置消能墩方案的流线矢量图，相比无整流措施方案，水池内流态得到一定改善，但水流翻过进水槽，泵站进水池内仍在3号机组吸水管上方仍形成一个漩涡，进水池内流线速度较大且紊乱。图10为进水槽内布置挡水墙方案的流线矢量图，该方案的整流效果与消能墩方案近似。图11为进水槽与进水池中间布置导流孔方案的流线矢量图，水流通过导流孔均匀流入进水池，进水池内未产生漩涡，进水池内流线速度较小且分布均匀。

3.3.2 流场内速度矢量特性

将无整流措施方案和导流孔方案流场内的速度矢量特性进行对比分析，由于VOF模型捕捉气-液两相交界面存在一定误差，选取正常水深水面下50 cm 处横断面做速度矢量图。图12为无措施方案速度矢量图，进水池内存在左、右两个漩涡，漩涡速度不同，漩涡处水流速度为0.063 3 m/s，根据重力相似准则换算成原模型流速度为0.2 m/s，同时进水池内整体流速较大。图13为导流孔方案速度矢量图，进水池内未产生明显的漩涡，水流速度基本接近零，流场内流态得到明显的改善。

4 结 论

基于VOF模型对大中河二级泵站侧向进水池拟选的不同整流消能方案进行数值模拟研究，选出适用该泵站侧向进水池的整流措施，并和未整流的效果进行了对比，得出如下结论：

（1）该泵站导流孔墙均匀布置56个导流孔，孔径D=200 mm，孔间距L=3 m，单孔流量为0.032 1 m/s，经计算分析证明该方案整流消能效果显著。

（2）导流孔墙把水流漩滚消能区域和泵站进水池隔离，很大程度减少了水流漩滚对侧向进水池流态的扰动。

（3）进水槽内的水流漩滚消除了大部能量，导流孔墙两侧的水位差较小，保证水流均匀流入进水池，进水池内水流流态稳定且未形成漩涡，流速接近于零。

参考文献：

［1］ 关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1995.

［2］ 王福军.水泵与水泵站［M］.北京：中国农业出版社，2005.

［3］ 肖若富，李宁宁.进水池形状对吸入涡影响试验研究［J］.排灌机械工程学报，2016，34（11）：953-958.

［4］ 刘超.轴流泵系统技术创新与发展分析［J］.农业机械学报，2015，46（6）：49-59.

［5］ 陈义春，张慧，戴盛，等.小型泵站吸水井进水管位置数值模拟［J］.排灌机械工程学报，2017，35（11）：962-967.

［6］ 马凌腾，贺牧侠.基于VOF方法的自由液面对低扬程轴流泵影响研究［J］.水利水电快报，2022，43（1）：44-49.

［7］ 李明，王勇，张子龙，等.泵站进水池内部流动特性研究［J］.人民长江，2023，54（5）：246-251.

［8］ 何耘.水泵进水池旋涡研究的主要进展［J］.水力发电学报，2004（5）：92-96.

［9］ 丛国辉，王福军.湍流模型在泵站进水池漩涡模拟中的适用性研究［J］.农业工程学报，2008，129（6）：31-35.

［10］ CONSTANTINESCU G S，PATEL V C.Numerical model for simulation of pump-intake flow and vortices［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1998，124（2）：123.

［11］ RAJENDRAN V P，CONSTANTINESCU S G，PATEL V C.Experimental validation of numerical model of flow in pump-intake bays［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（11）：1119.

［12］ 馬涛，樊红刚，袁义发，等.基于VOF模型的泵站进水池流场计算研究［J］.水力发电学报，2013，32（6）：244-249，255.

［13］ 孔德谦，韩灵杰，李见阳.水平吸水管悬空高对泵站进水池进水特性影响［J］.人民长江，2017，48（5）：87-90，100.

［14］ 常鹏程，杨帆，孙丹丹，等.多机组泵站侧向进水前池流态及整流措施分析［J］.中国农村水利水电，2021，470（12）：229-234.

［15］ 王勇，吕立霖，刘厚林，等.泵站进水池低水位流态分析及整流方案研究［J］.水电能源科学，2022，40（8）：186-189.

（编辑：李 慧）

Numerical simulation study on rectification energy dissipation of lateral inlet

reservoir in cascade pumping stationsLIU Junhua，WANG Meifang

（1.Yunnan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Kunming 650000，China； 2.Yunnan Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to study the stability of the flow regime in the lateral inlet pool of cascade pumping stations in long-distance pipeline water transportation projects，based on the Reynolds time averaged N-S equation，the standard k-ε turbulence model and the Volume of Fluid （VOF） method were used to conduct numerical simulations of rectification energy dissipation for four schemes，such as non-measurements，energy dissipation piers，retaining walls and diversion outlets. The streamline characteristics，velocity vectors and vortex characteristics of four schemes were compared. The results showed that the high-speed water flow from the tail of inlet groove for lateral inlet pool can easily form large vortices when entering the inlet pool of the pump station. The energy dissipation pier and retaining wall scheme reduced the water flow velocity in the inlet tank，but the effect was not significant，and vortices were still formed in the inlet tank.The diversion outlet scheme enabled the water flow to dissipate energy through turbulent flow in the inlet channel，which smoothly entered the pump station inlet pool through the diversion outlet. The water flow velocity in the inlet pool was close to zero，and the rectification energy dissipation effect was significant. The research results can provide technical support for the rectification and energy dissipation of the lateral inlet pool of the cascade pumping station．

Key words：rectification energy dissipation；Volume of Fluid method；cascade pumping station；diversion outlet；lateral inlet water tank；vortex