郝菲菲，林奇峰，姜勝文

（1.江北區(qū)慈城鎮(zhèn)農(nóng)村發(fā)展局，浙江寧波315031；2.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江寧波315192；3.國際小水電中心，浙江杭州310007）

1 研究背景

因市政管網(wǎng)改造，一根雨水管道出口需要布置在某泵站的上游位置。雨水管的流量占單泵設(shè)計流量的35.5%，且雨水管布置離泵站進(jìn)水流道較近，雨水管出流可能在未充分?jǐn)U散的情況下進(jìn)入流道[1]，從而導(dǎo)致泵站吸入口流速分布不均，影響泵站穩(wěn)定運行。

受閘站布置要求，泵站進(jìn)水前池非完全正對主流，加之雨水管來流，進(jìn)水前池流態(tài)的影響因素較為復(fù)雜[2]。本文采用基于格子玻爾茲曼的無網(wǎng)格方法，結(jié)合工程經(jīng)驗，將垂直水流、順?biāo)饔晁懿贾霉r和無雨水管的工況進(jìn)行比較分析，選出較優(yōu)的布置方式。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 格子玻爾茲曼方法[3]

格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）是一種新興的流體系統(tǒng)模擬方法，兼具宏觀流體連續(xù)模型和微觀分子動力學(xué)方法的優(yōu)點，且具有高效的計算效率和良好的并行性。相比于傳統(tǒng)的CFD方法，該方法省去了劃分網(wǎng)格的步驟，節(jié)省了時間。對于幾何形狀復(fù)雜的模型不存在傳統(tǒng)方法劃分網(wǎng)格難、計算收斂難的問題。

LBM 中粒子演化規(guī)則包括移動和碰撞兩個過程，演化方程為：

式中：a——粒子運動方向的編號，a=0，1…，b-1（b 為運動方向總量）；

fa——碰撞前a 方向的分布函數(shù)；

x——空間位置矢量；

t——時間；

Aaj——碰撞矩陣；

c——粒子運動速率；

feq——平衡分布函數(shù)；

ea——方向的單位矢量；

δt——時間步長。

2.2 幾何模型及邊界條件

進(jìn)行1∶1 建模，如圖1 所示。為充分考慮上游河道對來流的影響且盡可能控制模型范圍以減少計算時間[4]，并減小模型出口邊界條件的影響，建模范圍雨水管上游45 m，出口到水泵吸入口距離15 m。進(jìn)水前池長6 m，高差為1.35 m。水泵進(jìn)水池長11.6 m，模型總長為83 m。排澇泵站設(shè)計流量為3×6.67 m3/s，泵站進(jìn)口每孔寬3.4 m。雨水管管徑為1.65 m，管底高程距離河底0.99 m，滿水出流時流量為2.37 m3/s。

圖1 三維模型

本次采用保守的邊界條件，即取最小水深0.96 m和最大雨水管流量2.37 m3/s 作為計算條件。

3 計算結(jié)果分析

該泵站為排澇泵站，三泵同時運行的工況居多。故選取三泵工況進(jìn)行詳細(xì)分析，其他工況作簡要說明。

3.1 三泵工況下速度云圖及速度矢量圖分析

三種工況下的速度云圖、速度矢量圖，取水面以下1.5 m 的截面位置。

從圖2 無雨水管工況可見，水流非正對泵站，在水流流入進(jìn)水流道拐彎的過程中，受到中間隔墩的阻擋，使得3#流道內(nèi)水流流速分布不均勻。從速度矢量圖可見，在中間隔墩的附近存在明顯的旋渦，旋渦擾亂后續(xù)的水流，降低該流道的過流能力。1#、2#流道內(nèi)的水流流速分布較為均勻。

從圖3 垂直水流方向雨水管工況可見，雨水管出流偏轉(zhuǎn)到了水泵方向，且擴(kuò)散到了三個流道內(nèi)，對三個流道內(nèi)流速的均勻性均產(chǎn)生了一定影響。中間隔墩附近的旋渦減弱，3#流道內(nèi)流速的均勻性有所改善。

從圖4 順?biāo)鞣较蛴晁芄r可見，雨水管出流直接進(jìn)入1#流道內(nèi)，擾亂了其原本均勻的流速分布。2#流道內(nèi)的水流未受到影響。中間隔墩附近的旋渦減弱，但是3#流道內(nèi)的流速分布仍較為混亂。

通過速度云圖及矢量圖的分析可知，垂直水流和順?biāo)鞯挠晁艹隽骶鶗η俺亓鲬B(tài)產(chǎn)生一定影響，且中間隔墩附近的旋渦均有所減弱。

3.2 三泵工況下水泵吸入口流速分析

為準(zhǔn)確反映泵站吸入口流速的分布情況，在吸入口中間位置設(shè)一條水平監(jiān)測線，位置如圖5 所示，讀取監(jiān)測線上的流速，并繪制速度曲線。

從表1 監(jiān)測線處流速偏差可見，無雨水管時流速的最大偏差出現(xiàn)在3#流道處，為13.73%，根據(jù)實際運行情況此時三臺泵均能穩(wěn)定運行。在垂直水流出水管和順?biāo)鞒鏊芄r下，流速的最大偏差均出現(xiàn)在3#流道處，分別為15.06%和16.30%。比無雨水管工況下最大流速偏差略大，但基本在合理范圍內(nèi)，因此判斷在三泵運行工況下，垂直水流雨水管和順?biāo)饔晁懿贾脤λ梦肟诹魉倬鶆蛐缘挠绊懢^小。從流速偏差的角度看，垂直水流雨水管布置較優(yōu)。

圖2 無雨水管工況下的速度云圖、速度矢量圖

圖3 垂直水流方向雨水管工況下的速度云圖、速度矢量圖

圖4 順?biāo)鞣较蛴晁芄r下的速度云圖、速度矢量圖

圖5 監(jiān)測線位置

圖6 監(jiān)測線處流速

表1 監(jiān)測線處的流速偏差

圖7 監(jiān)測線處流速標(biāo)準(zhǔn)差

表2 單泵運行時監(jiān)測線處速度偏差

表3 雙泵運行時監(jiān)測線處速度偏差

從圖6 監(jiān)測線處流速分布曲線可見，1#流道流速的對稱性在無雨水管和垂直水流雨水管的工況下均較好，在順?biāo)饔晁艿墓r下較差，因為雨水管出流直接進(jìn)入到了1#流道內(nèi)，對水流產(chǎn)生了較大擾動。2#流道流速對稱性在三種工況下均較好。3#流道流速的對稱性則均較差。主因其隔墩處側(cè)向繞流產(chǎn)生的旋渦影響。從流速對稱性的角度看，垂直水流雨水管布置較優(yōu)。

圖7 為監(jiān)測線處流速標(biāo)準(zhǔn)差，反映了流速的均勻性。從流速均勻性的角度看，垂直水流雨水管布置較優(yōu)，且雨水管出流對水泵吸入口流速的均勻性有一定的改善。

3.3 單泵、雙泵工況速度偏差分析

對比表1、表2 和表3 可以看出，順?biāo)鞣较虿贾玫挠晁軐?#流道流速均勻性影響較大，垂直水流方向布置的雨水管對3#流道流速均勻性影響較大。單泵運行時，垂直水流雨水管方案在1#、2#流道流速偏差較小，在3#流道較大。雙泵運行時，兩種雨水管方案在每個組合工況下的優(yōu)劣基本相同。綜合來看，單、雙泵運行時，垂直水流雨水管方案較優(yōu)。

4 總結(jié)

通過采用基于格子玻爾茲曼法，將垂直水流、順?biāo)饔晁懿贾霉r和無雨水管的工況進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論：

（1）兩種雨水管出流方式均會對泵站進(jìn)水前池流態(tài)產(chǎn)生一定影響，但總體不利影響較小，部分情況尚有改善。結(jié)合工程經(jīng)驗判斷，雨水管建設(shè)對泵站安全穩(wěn)定運行影響較小。

（2）以流速偏差和流速標(biāo)準(zhǔn)差的指標(biāo)判斷，單、雙泵運行時垂直水流雨水管優(yōu)于順?biāo)饔晁艿墓r較多，三泵運行時流速偏差和流速標(biāo)準(zhǔn)差均是垂直水流雨水管布置方式較優(yōu)，且三泵排澇運行的情況較多。綜合來看，垂直水流雨水管布置方式較優(yōu)。