丁兆利

(北京北華中清環(huán)境工程技術有限公司，北京 100176)

0 引 言

城市雨污水量的增加，對城市排水設施提出更高的要求。作為城市排水設施重要組成部分，城市排水泵站的規(guī)模日益擴大，其安全可靠經(jīng)濟運行日益受到重視。在城鎮(zhèn)規(guī)劃中，由于受到各種因素的限制，城市排水泵站的進水系統(tǒng)難以按照進水水力條件良好的要求來布置，易在前池里形成回流、斜向流和漩渦等不良水力現(xiàn)象，不能滿足水泵進水所要求的水流流速平順、壓力均勻的要求[1]。同時，由于城市排水泵站所抽送的通常是污水或雨污水的混合水流，水流含泥沙量較大，易在泵站構筑物中產(chǎn)生淤積。因此，采取有效的整流措施來改善水泵的進水條件，對確保泵站高效和安全運行，防止泥沙淤積，具有重要的意義。

如何采取合理的工程技術措施，改善泵站的進水流態(tài)，提高機組的運行效率，一直是城市排污(水)部門和相關設計、科研單位研究的重點。隨著計算機技術和數(shù)值計算方法的迅速發(fā)展, 數(shù)值模擬逐漸成為研究泵站前池水力特性的重要手段。它能夠快捷地進行計算和模擬，大大提高工程研究和決策的效率。城市排水泵站一般由多臺機組共同運行，且工況較多，流態(tài)較為復雜。本文根據(jù)《泵站設計規(guī)范》(GB 50265-2010)[2]要求，結合上海某排水泵站，對泵站進水前池的水力特性進行數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)學模型

城市排水泵站進水的流動為不可壓縮的三維湍流，雷諾數(shù)通常大于104。本文采用k-ε雙方程模型，使用有限體積法對通用控制方程進行離散，對于離散方程中的壓力項，采用基于同位網(wǎng)格的SIMPLE算法修正并與速度耦合，通過選取適當?shù)耐牧鲄?shù)和壁面參數(shù)，有效地模擬進水前池流態(tài)[3]。

1.1 控制方程

流體運動遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒三大物理學定律，這三大定律對流體運動的數(shù)學描述就構成了流體動力學的基本方程組。泵站前池內(nèi)的流體是恒溫的，自動滿足能量守恒方程，流體流動符合不可壓縮流場的質量守恒定律，在定常條件下，泵站進水池的不可壓縮流動可用以下方程描述：

1) 連續(xù)方程。不可壓縮流體的連續(xù)方程為：

2) 動量方程。不可壓縮黏性流體的時均運動方程，即雷諾平均N-S方程為：

3) 湍動能方程。

4) 湍動能耗散率方程。

以上4式中：xi(i=1，2，3…)為坐標系坐標；ui(i=1，2，3…)為沿i方向的速度分量；fi為沿i方向的質量力；p為壓力；ρ為水的密度；ν為水的運動黏滯系數(shù)；Pr為紊動能生成率；νt為渦黏性系數(shù)。

其中Pr表達式為：

vt表達式為：

1.2 數(shù)值計算方法

泵站進水前池中的三維湍流數(shù)值模型采用雷諾平均N-S方程，并以標準k-ε湍流模型使方程組閉合，采用有限體積法分離式迭代求解的方法求解三維流場，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

1.3 主要參數(shù)

雷諾應力模型包含的經(jīng)驗常數(shù)，按照文獻[4]給定取值。Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cs=0.22，C1ps=0.18，C2ps=0.6，C1-ps=0.5，C2-ps=0.3，TKE=1.0，TDR=1.3。

1.4 網(wǎng)格劃分及計算條件

城市排水泵站進水池體型結構較為復雜，網(wǎng)格劃分采用分區(qū)域剖分、局部加密、主要區(qū)域采用六面體網(wǎng)格等技術，減少網(wǎng)格數(shù)量，使網(wǎng)格劃分與水流流動方向基本一致，提高流場計算的精度。對各工況分別建立模型，并劃分網(wǎng)格。

進口條件：采用速度入口條件，即給出速度、湍動能和耗散率。

出口條件：自由出流邊界條件，各變量在流動方向上的梯度為零。

壁面條件：采用無滑移動邊界條件，對黏性底層采用壁面系數(shù)法處理。

自由表面:采用剛蓋假定法。

2 計算對象

泵站前池平面布置圖見圖1。

圖1 泵站前池平面布置圖Fig.1 Lateral flow of cooling water at the bottom of the map coordinate system test

由于篇幅限制，本文僅論述中液位時1#、2#、3#三臺泵同時開啟時的工況，具體計算參數(shù)見表1。

表1 前池水流流態(tài)的數(shù)值模擬工況

本文選取進水前池表面和進水管中心標高處(H=2.8 m)剖面的流速矢量圖和速度等值線分布圖，進行分析研究。

3 原設計方案進水池流態(tài)分析

前池水流流態(tài)的影響因素很多，包括進水方式、前池尺寸、運行工況、前池水位、流速等。根據(jù)《泵站設計規(guī)范》(GB 50265-2010)要求，泵站前池布置應滿足水流順暢、流速均勻、池內(nèi)不得產(chǎn)生渦流的要求。進水池設計應使池內(nèi)流態(tài)良好，滿足水泵進水要求，且便于清淤和管理維護。一般正向進水擴散型前池的臨界擴散角為20°～40°，前池擴散角應等于或小于水流臨界擴散角，否則前池內(nèi)可能產(chǎn)生脫壁回流等不利水力現(xiàn)象。由于該泵站前池擴散角較大，前池回流情況比較明顯。

在無整流措施情況下，原設計方案的數(shù)值計算結果見圖2～圖5。

圖2 原方案前池表面流速矢量分布圖

圖3 原方案H=2.8 m流速矢量分布圖

圖4 原方案前池表面速度等值線分布圖

圖5 原方案H=2.8 m速度等值線分布圖

原設計方案的計算結果表明，泵站前池存在大范圍的脫壁回流區(qū)和表面漩渦。水流從引水管進入前池后未能充分擴散，形成明顯的水流居中現(xiàn)象，沿進水方向，主流斷面進一步壓縮,水流來不及擴散，中間流速大，壓力小，兩側流速小，壓力大，在這種流速和壓力差的作用下，前池兩側形成回流和漩渦。由于機組是非對稱開啟，兩側產(chǎn)生的回流區(qū)明顯大小不一且強弱不同。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是前池擴散角較大，而長度較短，使得調(diào)整水流流態(tài)的空間有限，主流來不及擴散，被前池后壁阻擋，產(chǎn)生倒流后向兩側擴散，并形成反向流動，在前池內(nèi)形成回流區(qū)和渦旋?；亓鲄^(qū)的存在易使前池內(nèi)泥沙淤積，導致水泵進水不均勻，因此需要對前池結構體型進一步優(yōu)化。

4 前池進水流態(tài)改善措施研究

在泵站工程中，要得到一個令人滿意的進水流態(tài)，一方面要消除大尺度回流，另一方面要使得水流在前池寬度上均勻擴散。實際上前池內(nèi)的回流和漩渦一般是由水流與前池進口邊壁的邊界層之間的分離流動引起的，這一點無論是正向進水前池還是側向進水前池都是相同的。為改善前池流態(tài)，需要采取必要的工程措施。選擇整流措施的主要原則是:①使前池中流態(tài)平穩(wěn)，回流區(qū)盡可能小，強度減弱，以至消除；②使得進水池或進水流道口處流速分布盡可能均勻；③消除進水池或進水流道進口產(chǎn)生表面漩渦的條件；④減小前池泥沙淤積量；⑤整流措施工程量少，水力損失小，投資省。

關于前池進水流態(tài)的改善措施，一般有3類[5-6]：第一類是增長擴散段，但水力條件改善微弱。第二類是在前池中增設導流墩或隔墩，效果比較明顯。第三類措施是在前池增設底坎，通過坎后水流充分紊動擴散，從而獲得滿意的水流流態(tài)。在本文中，根據(jù)原設計方案的流態(tài)情況，結合泵站構筑物尺寸布置，提出在前池布設梯形底坎和導流擴散墩兩種整流方案。

4.1 底坎整流方案研究

梯形底坎是正向進水前池中最常用的整流措施。設置底坎的作用有兩個：①造成坎后立面旋滾，使其在坎后一定距離內(nèi)與平面回流摻搓，相互產(chǎn)生復雜的作用，消除回流中的旋轉動量，使坎后流態(tài)重新調(diào)整，水流到達進水口時，基本上能獲得比較均勻的流速分布；②梯形底坎可以削弱引水管所攜帶的余能，因而增加了一定的水頭損失是不可避免的，但機組從改善措施獲得的裝置效率的提高遠超過這一附加的水頭損失。底坎消除回流的效果與坎高和水深的比值有關,合適的底坎可以控制橫軸旋流的強度和范圍，其原則就是坎后的橫軸旋流既能破壞前池的回流，又不影響進水流道門前的流態(tài)。

針對本工程，底坎的具體布設方案如下：在距離引水管進口5 m處沿垂直進水方向布設梯形底坎，底坎尺寸為上底寬1 m，下底寬2 m，高1 m，具體布置見圖6。

圖6 前池內(nèi)梯形底坎布置圖

在布設底坎整流措施情況下，進水前池的數(shù)值計算結果見圖7～圖10。

圖7 底坎整流前池表面流速矢量分布圖

圖8 底坎整流H=2.8 m流速矢量分布圖

圖9 底坎整流前池表面速度等值線分布圖

圖10 底坎整流H=2.8 m速度等值線分布圖

以上計算結果表明，水流由進水管進入進水前池后，主流以較高流速與底坎發(fā)生沖撞。一部分水流受底坎阻擋折回兩側，在邊壁與底坎之間形成兩個紊動擴散區(qū)域，實質上為邊側水流提供了足夠的動量，減少渦漩積累，從而防止大尺度回流的形成；另一部分水流翻越底坎，形成坎后立面漩滾，使得下游斷面上的流速得到重新調(diào)整。但本方案中進水池坎后立面旋滾范圍過大，且靠近水泵進水口處，這對水泵的高效運轉是十分不利的。因此，在池底布設梯形底坎方案整流效果不明顯，不能有效擴散引水管出流，對池內(nèi)回流的削弱作用不佳，沒有達到預期效果。

4.2 導流擴散墩整流方案研究

在保持原方案進水前池結構體型不變的情況下，借鑒文獻[7]中推薦的前池內(nèi)水流擴散方案，在前池進口處交錯布置2排(共5個)1 m×1 m導流擴散墩。其結構體型和布置見圖11。

圖11 前池內(nèi)導流擴散墩布置圖

在布設導流墩整流措施情況下，進水前池的數(shù)值模擬計算結果見圖12～圖15。

圖12 導流墩整流前池表面流速矢量分布圖

圖13 導流墩整流H=2.8 m流速矢量分布圖

圖14 導流墩整流前池表面速度等值線分布圖

圖15 導流墩整流H=2.8 m速度等值線分布圖

以上計算結果表明，進水管受前池入口處兩排導流墩的分割、擠壓作用，進水在前池內(nèi)充分紊動擴散，流速的三維湍動特征明顯，兩側邊墻流速明顯增大，前池內(nèi)表面漩渦和回流現(xiàn)象基本消失。前池進水口中間流速減小，流速分布均勻性改善，雖然存在小范圍的漩渦區(qū), 但水流到達水泵進水口處，水流流速分布已十分均勻，水泵進水的水力條件良好。

與底坎方案相比，速度分布均勻性進一步改善，水流在前池內(nèi)擴散充分，基本消除了前池內(nèi)回流和表面漩渦。但該方案亦有不足之處：①因為前池流場呈三維特性，進水條件變化時，部分回流難以消除；②該措施在施工上難度較大，對地基要求較高。

5 結 論

泵站前池良好的流態(tài)對水泵機組的安全高效運行至關重要，本文通過數(shù)值模擬計算的方法對泵站前池的水力特性進行研究分析。主要結論如下：

1) 在原設計方案中，城市排水泵站由于前池擴散角較大，前池水流擴散不充分，存在較大回流區(qū)和表面漩渦等不利流態(tài)，會造成水泵效率下降、泥沙淤積。因此，必須采取工程措施，對前池進行優(yōu)化，以改善前池流態(tài)。

2) 提出了在前池內(nèi)布設底坎和導流擴散墩兩種整流方案，并分別進行模擬計算。結果表明，前池內(nèi)底坎對水流擴散作用不明顯，仍存在不良的流態(tài)；導流擴散墩方案能夠使前池水流較為充分地擴散，基本消除前池內(nèi)回流和表面漩渦，保證水泵的安全高效運行。