考虑河道影响的泵站进水前池水力优化设计研究

2024-10-30叶永庆陈琪周乾栋张喜喜牛成龙沈航熊志强郑源

企业科技与发展 2024年8期

摘要：轴流泵站在平原地区灌溉排水、城市供水及防洪等领域应用广泛，但现有对泵站的设计普遍基于前池进口入流均匀的假设，未能充分考虑河道引水至前池过程中的非稳定流动性。文章采用CFD（计算流体动力学）技术对某轴流泵站前池进行水力优化研究，通过建立河道与前池的耦合模型，分析在河道与泵站前池主流方向呈垂直布局的情况下，河道对前池水力性能的影响。研究发现，在此布局下，前池水力损失有所增加，但轴流泵装置转轮进口处的轴向速度均匀度和速度加权平均角受到的影响较小；增设底坎的措施能稳定前池流动性，减少水力损失，同时改善轴向速度均匀度和速度加权平均角。

关键词：泵站；流道；河道；水力优化；底坎

中图分类号：TV136.2；TV675" " " "文献标识码：A" " " 文章编号：1674-0688（2024）08-0074-03

0 引言

轴流泵作为常见且重要的水力机械设备，广泛应用于工农业生产、城市供水系统、水处理工艺及能源领域，具有水力效率高、体积小和结构相对简单的特点。进、出水流道的结构优化对于提升轴流泵的运行效率和稳定性至关重要。进水流道的几何结构能直接影响叶轮进口流速的均匀性，而合理的出水流道设计则能确保水流平稳地导向上游水道，并有效回收水流动能。如果进、出水流道未能达到水力设计要求，可能会引发叶轮进口流速分布不均、出水流道内水流紊乱和漩涡的产生等问题。这些问题不仅会降低泵装置的运行效率，还可能引发汽蚀、噪声和剧烈振动［1-2］，对泵站机组的安全、稳定运行构成威胁。为了提升前池流态性能，研究者们提出了多种整流方案，如设立导流墩、底坎、立柱、压水板和隔板等结构［3］。营佳玮等［4］基于VOF模型（即流体体积分数模型），探索立柱与底坎相结合的整流方案，该方案有效改善了前池两侧的回流状况，验证了复合整流相较于单一措施更具优越性。冯建刚等［5］采用“八”字形导流墩与底坎组合，改善了泵站前池流态，提升了进水池进流的均匀性和泵站的性能。陆伟刚等［6］利用数值模拟技术，深入分析了设置立柱、导流墩、底坎及隔墩等整流措施对某排涝泵站前池流态的具体影响，为排涝泵站的设计和优化提供了科学依据。李志祥等［7］采用响应面法优化底坎的高度与间距，显著提升了排水泵站前池的流态质量。综上，设置底坎作为常见的前池整流措施，不仅可以独立应用，改善泵站前池流态，也能与其他整流措施联合。底坎的形式多样，包括倒“T”形、镂空式等［8-9］，可根据实际需求选择和应用。

本文以浙江省宁波市建庄排涝泵站为研究案例，采用 CFD 技术对泵站进水流道进行结构优化，以提升水力性能。通过多方案对比与分析，筛选出最优的流道优化方案。鉴于建庄泵站进水流道与河道呈垂直布局，本文还将利用 CFD 技术验证垂直河道对泵站水力性能的影响。本研究不仅为建庄泵站的流道优化提供了科学依据，也为其他面临类似情况的泵站提供了有价值的参考。

1 工程概况

建庄排涝泵站位于浙江省宁波市海曙区新黄隘河附近，主要承担内河涝水排除任务。该泵站设计流量为20 m³/s，总装机容量达到2 130 kW。泵站采用井筒式结构，上游配备检修闸门，出水管道设置了 DN1800规格的电动蝶阀，并在出口处设置了拍门，从上游至下游，泵站依次布设了灌砌石护坦、进水前池、进水池（含交通桥）、泵房及出水管道。排涝工程设4台主机组、2台事故备用机组，备用机组规模同主机组。机组选用1400QZ-100D型潜水轴流泵，配套同步电机的单机功率为355 kW，额定电压为10 kV。建庄泵站进水流道剖面图见图1。

2 建立数值模型

2.1 控制方程及湍流模型

在数值模拟计算过程中，详尽地考量了泵站前池和进水池的水流特性，将其设定为三维、不可压缩且无能量交换的黏性湍流模型。经过深入研究和论证，本次模拟选定连续性方程与动量守恒方程作为核心控制方程，以确保模拟结果的准确性。离散方法采用有限体积法，该方法的优点在于能够准确捕捉水流的细节变化，同时保证计算的稳定性和收敛性。针对湍流问题，采用雷诺平均法进行处理，通过应用标准湍流模型，可以准确地模拟水流中的湍流现象，从而进一步提升模拟结果的精度和可靠性。为确保模拟结果的准确性，设定计算精度阈值为10-5。

2.2 计算域模型

本文计算域主要包括河道、进水前池及进水流道。利用UG三维建模软件进行建模见图2。

2.3 网格划分

非结构化网格是一种特殊的网格类型，具有极高的灵活性，生成速度快且网格自适应程度高，可为模拟提供更高的精度和准确性。由于本文研究对象的几何结构复杂，传统的结构化网格可能难以准确描述其细节特征，因此选用了四面体非结构化网格进行模型划分。此外，针对进水前池部分进行了网格加密处理。网格划分采用ICEM软件完成，最终生成的网格数量约为300万个。

2.4 边界条件

本文计算域部分包括固体边壁、进水池进口断面及出水池出口断面，各边界条件设定如下。

（1）进口边界条件。以河道进口断面为模拟起点，采用质量进口边界条件设定进口处的质量流量，以准确反映真实环境中的流体流动状况。

（2）出口边界条件。泵段出口断面处采用压力出口边界条件，模拟流体在出口处的压力动态变化。

（3）壁面条件。将泵装置涉及的河道和进水流道视为静止壁面进行处理，采用无滑移条件模拟流体在这些壁面上的流动情况。此外，在近壁区域，利用壁面函数描述流体与壁面之间的相互作用，确保模拟结果的准确性。

在流道优化设计过程中，为得到良好的水力性能，需根据CFD数值模拟结果，不断调整流道的基本参数，以优化流道的型线。本文采用增设底坎的方式进行优化，根据底坎不同的设置位置，设定了方案a和方案b两种优化路径。底坎的具体尺寸为高1 000 mm，宽300 mm。优化方案示意图见图3。

3 泵站前池优化分析

3.1 原方案模拟分析

图4为原方案进水流道流速与流线图，在无河道影响的情况下，水流顺利进入前池后，流速稳定均匀，直至进入水流道时流速突然变大。观察流线图发现，泵站进水平滑，流线均匀稳定，未出现漩涡和回流等不良流态；有河道影响后，流入前池的水流流速整体均匀稳定且高速区域有所减缓；入口处虽然有小漩涡形成，但是很快消散，未对后续流动造成干扰，流线整体比较均匀。

为定量检验进水流道优化方案的效果，根据数值模拟结果，采用计算单元面积加权的方法计算进水流道出口的轴向流速分布均匀度（Vzu）与加权平均角（θ）。结果表明，Vzu数值越大，断面轴向流速分布越均匀，而θ越接近90°，出口水流越接近垂直于出口断面，出水条件及流道优化效果更显著。表1为原方案优化结果，根据表1中的数据可知，考虑河道影响后，水力损失明显增大，但速度加权平均角和轴向速度均匀度均有所提升，证实垂直河道布局对泵站泵装置入流造成了明显的不利影响。

3.2 增设底坎模拟分析

底坎的设置能有效减少水流在进水流道入口产生的漩涡，有利于水流更顺畅地进入泵段。图5为底坎方案进水流道流速与流线图。如图5所示，方案a中水流越过底坎后，速度虽短暂提升，但流线图中仅在入口处见到微小漩涡，推测为河道与流道之间压差所致，该漩涡迅速消散，未对后续流态造成影响，整体流线保持平滑；相较于方案a，方案b的流速图中流线更集中，流态更稳定，并且未出现明显的高速区。这可能与底坎设置于坡道处有关，使得流速整体更为均匀、稳定。

表2为底坎方案优化结果，表2中的数据显示，方案a的水力损失小于方案b，并且小于原方案。设置底坎后，无论是方案a还是方案b，其速度加权平均角和轴向速度均匀度均大于原方案，表明流态改善显著。总之，方案a和方案b结果相差不大，但方案a略优。

4 结论

本文针对轴流泵站前池的水力优化问题开展研究，通过构建河道耦合泵站前池的三维几何模型，系统地分析了河道垂直布置于泵站前池以及在前池内增设底坎对前池水力性能的影响。研究得出以下结论。

（1）当河道垂直接入泵站前池时，虽然前池因河道入流而承受的水力损失会有所增加，但是该变化对轴流泵装置转轮进口处的轴向速度均匀度和速度加权平均角的负面影响较小。

（2）通过在前池内增设底坎，不仅优化了泵站内的流速均匀性与流态稳定性，还显著降低了水力损失，对提升泵站整体运行效率具有积极作用。

5 参考文献

［1］戴景，刘雪芹，袁聪，等.斜式泵装置负扬程飞逸过渡过程内部流动特性分析［J］.水电能源科学，2022，40（6）：122-126.

［2］郭绘娟，方国材，胡大明，等.基于有限元大型竖井贯流泵轴系强度及稳定性分析［J］.水电能源科学，2022，40（5）：169-173.

［3］吕和品.凤凰颈新站前池水力特性及优化措施研究［D］. 扬州：扬州大学，2022.

［4］营佳玮，俞晓东，贺蔚，等.基于流体体积模型的泵站前池流态及组合式整流方案［J］.排灌机械工程学报，2020，38（5）：476-480，493.

［5］冯建刚，钱向栋，张睿.城市输水泵站前池流态及整流措施［J］.水利水电科技进展，2018，38（2）：77-83.

［6］陆伟刚，孙晨光，徐波，等.某排涝泵站前池整流措施的数值模拟研究［J］.水电能源科学，2020，38（3）：90-93.