丁兆利

（北京北華中清環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 102600）

0 引言

進(jìn)水池是泵站的重要組成部分，為了保證水泵有良好的吸水條件，進(jìn)水池布置應(yīng)綜合考慮地基、含沙量、泵型、水泵機(jī)組等因素，滿足水流順暢、流速均勻、無漩渦、無回流的要求。否則，在進(jìn)水池容易形成回流漩渦等不良流態(tài),從而影響水泵效率,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起噪音、振動(dòng)、汽蝕等現(xiàn)象,影響水泵的壽命和正常運(yùn)行。

本文以山西平魯?shù)叵卤谜具M(jìn)水池為例，采用k-ε紊流模型，對(duì)不同泵組運(yùn)行組合工況下進(jìn)水前池內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了三維紊流數(shù)值模擬，驗(yàn)證了各工況下平魯泵站進(jìn)水池內(nèi)的水流流態(tài)，研究了進(jìn)水池內(nèi)的漩渦型態(tài)。

1 工程概況

1.1 泵站概況

平魯?shù)叵卤谜疚挥谏轿魇∪f家寨引黃入晉工程北干線，泵站裝機(jī)5臺(tái)，最終規(guī)模為3臺(tái)工作2臺(tái)備用，根據(jù)需要，將總干線運(yùn)行期間(每年的10月底到翌年的7月底)多余的水量抽入大梁水庫存蓄起來，在總干線停運(yùn)期間，水庫經(jīng)水庫放水檢修閘門、豎井、消力池后入放水支洞，進(jìn)入北干線輸水隧洞向下游用戶繼續(xù)供水。

泵站安裝5臺(tái)單級(jí)雙吸臥式機(jī)組，泵站運(yùn)行揚(yáng)程120 m～137 m，單機(jī)流量1.21 m3/s～0.88 m3/s，正常工況3臺(tái)運(yùn)行、2臺(tái)備用，配套電動(dòng)機(jī)功率1800 kW，總裝機(jī)9000 kW。平魯?shù)叵卤谜咀鳛橐S入晉干線中一座重要的泵站，具有水泵揚(yáng)程高、揚(yáng)程變幅較大、泥沙含量較高等特點(diǎn)。平魯泵站進(jìn)水池平剖面布置見圖1。

圖1 平魯?shù)叵卤谜具M(jìn)水池布置示意圖

進(jìn)水池體型為“下挖式”帶支渠的側(cè)向進(jìn)水池，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1）進(jìn)水池為帶支渠的側(cè)向進(jìn)水，來流方向與進(jìn)水支管中的水流方向呈90°夾角，進(jìn)水池內(nèi)水流流動(dòng)特征類似于彎道水流的流動(dòng)特征，具有復(fù)雜的三維流場(chǎng)。

2）“下挖式”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使流入進(jìn)水支管內(nèi)水流需兩次轉(zhuǎn)向：先在進(jìn)水池上部作90°轉(zhuǎn)向，然后再次90°轉(zhuǎn)向后進(jìn)入水泵支管。

1.2 數(shù)值模擬內(nèi)容

根據(jù)泵站進(jìn)水系統(tǒng)布置方式，對(duì)該泵站前池不同泵組運(yùn)行組合工況，包括水泵逐臺(tái)啟動(dòng)、多機(jī)正常運(yùn)行等工況，進(jìn)水池水力流態(tài)進(jìn)行分析。泵站不同工況可能出現(xiàn)的抽水流量（運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)）、進(jìn)水池連接的前、后隧洞流量及相應(yīng)水深，見表1。

表1 設(shè)計(jì)工況下泵站抽水流量、隧道水深特性表

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

在定常條件下，進(jìn)水池的不可壓縮流動(dòng)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(dòng)量方程

不可壓縮粘性流體的時(shí)均運(yùn)動(dòng)方程，即雷諾平均Navier-Stokes方程為：

3）紊動(dòng)能k方程

4）紊動(dòng)能耗散率ε方程

k-ε模型中的有關(guān)常數(shù)為：

2.2 求解方法

泵站進(jìn)水前池中的三維紊流數(shù)值模型采用雷諾平均N-S方程，并以標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊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(chǎng)，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

2.3 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

進(jìn)口條件：采用速度入口條件，即給出速度、湍動(dòng)能和耗散率。

出口條件：認(rèn)為出口斷面是充分發(fā)展的紊流流動(dòng)。

壁面條件：采用無滑移動(dòng)邊界條件，對(duì)粘性底層采用壁面系數(shù)法處理。

自由表面：采用剛蓋假定法。

2.4 網(wǎng)格劃分

泵站進(jìn)水池體型結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)，減少網(wǎng)格數(shù)量，使網(wǎng)格劃分與水流流動(dòng)方向基本一致，提高流場(chǎng)計(jì)算的精度。對(duì)各工況分別建立模型，并劃分網(wǎng)格。

圖2 平魯?shù)叵卤谜救S模型結(jié)構(gòu)圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 工況一——水泵待開機(jī)

泵站前池水深1.98m，北干1#隧洞輸水流量11.8m3/s。無水泵啟動(dòng)。計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 工況一流場(chǎng)及流速分布情況

水流由北干1#隧洞進(jìn)入泵站進(jìn)口平坡段，受進(jìn)口體型突擴(kuò)影響，主流兩側(cè)有回流區(qū)，左側(cè)連接較平順，回流區(qū)小，右側(cè)體型突擴(kuò)較大，回流區(qū)大。由于中間主流大于兩側(cè)流速，兩側(cè)的水位和壓力大于主流區(qū)，在這種壓力差的作用下，主流斷面進(jìn)一步壓縮。

受進(jìn)水池頂部弧形坎的阻擋、導(dǎo)流作用，水流折轉(zhuǎn)，主流區(qū)偏向右側(cè)，在隧洞底板附近，水流主要通過頂部平坡段流向下游。受底部偏流影響，水流橫向擴(kuò)散不充分，進(jìn)水池上部區(qū)域流速較小，進(jìn)水池下部水體受來流的影響較弱。

水流流出進(jìn)水池，進(jìn)入下游隧洞，受右側(cè)體型突擴(kuò)影響，將再一次產(chǎn)生漩渦或回流。在各工況下，流量增大，水深加深，流速增加，水流橫向和垂向紊動(dòng)擴(kuò)散作用增強(qiáng)，進(jìn)水池上部區(qū)域流速加大，水流對(duì)進(jìn)水池內(nèi)水體的影響也增大。

總之，泵站待開機(jī)狀態(tài)下，泵站內(nèi)水流主流偏向右側(cè)，進(jìn)水池下部水體受來流影響較小。

3.2 工況二——2臺(tái)泵運(yùn)行

泵站前池水深1.92 m，北干1#隧洞輸水流量11.8 m3/s，一臺(tái)泵開機(jī)。以水泵1#機(jī)組運(yùn)行為例。計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 工況二流場(chǎng)及流速分布情況

泵站進(jìn)口段，受進(jìn)口體型突擴(kuò)影響，主流兩側(cè)有回流區(qū)，左側(cè)回流區(qū)小，右側(cè)回流區(qū)大，受兩側(cè)回流區(qū)水位和壓力差的作用，主流斷面進(jìn)一步壓縮。進(jìn)口平坡段底部水流主流區(qū)偏向右側(cè)，水流主要通過頂部平坡段流向下游。水流底層流速小，表層流速大，在水流紊動(dòng)擴(kuò)散作用下，流速分布沿橫向和垂向擴(kuò)散，越向上，水流發(fā)展越充分。設(shè)計(jì)工況流量小于最高工況，其流速低，水深淺，水流紊動(dòng)擴(kuò)散作用弱，流速橫向分布的均勻性也較最高工況差，表現(xiàn)為左側(cè)低流速分布區(qū)域所占面積大。

水泵一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，流量偏?。▋H為0.88 m3/s），進(jìn)水池內(nèi)秒換水系數(shù)大于700。從水泵進(jìn)水口三維流線透視圖可看出，進(jìn)入支管內(nèi)水流在進(jìn)水池上部區(qū)域由上游流向下游，在下部區(qū)域附近則發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由下游斜向上游流入支管。

泵站下游隧洞右側(cè)突擴(kuò)處漩渦偏離進(jìn)水池，且被主流隔離，其對(duì)進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)影響可忽略。

3.3 工況三——3臺(tái)泵運(yùn)行

泵站前池水深1.74m，北干1#隧洞輸水流量11.8m3/s。以水泵1#、2#、3#機(jī)組運(yùn)行為例。計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 工況三流場(chǎng)及流速分布情況

進(jìn)口平坡段主流區(qū)偏向右側(cè)，水流主要通過頂部平坡段流向下游。水流底層流速小，表層流速大，在水流紊動(dòng)擴(kuò)散作用下，流速分布沿橫向和垂向擴(kuò)展，越向上，水流發(fā)展越充分。受水流偏流和橫向發(fā)展不充分的影響，右側(cè)流速大，左側(cè)進(jìn)水池上部區(qū)域流速小，進(jìn)水池下部區(qū)域內(nèi)水體受來流影響較小。

設(shè)計(jì)工況下，進(jìn)水池內(nèi)水流主要由上游和側(cè)向來流供給。其原因?yàn)楸备?#隧洞來流量大，水位高，水流橫向和垂向發(fā)展較充分，進(jìn)水池上部水流橫向流速較大，分流量大，水流容易轉(zhuǎn)向進(jìn)入池內(nèi)。

泵站下游隧洞右側(cè)突擴(kuò)處漩渦偏離進(jìn)水池，且被主流隔離，其對(duì)進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)影響可忽略。

4 結(jié)論與建議

平魯?shù)叵卤谜具M(jìn)水池體型為“下挖式”帶支渠的側(cè)向進(jìn)水池，通過對(duì)各工況、不同水泵機(jī)組運(yùn)行方式下泵站內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行三維紊流數(shù)值模擬，選取典型斷面進(jìn)行流場(chǎng)、流態(tài)分析得出如下結(jié)論：

（1）上游來流量大或泵站抽水流量小，進(jìn)水池上部的分流量易滿足水泵需水，水流克服縱向慣性力由上游轉(zhuǎn)向進(jìn)入下部區(qū)域，再由下游斜向上游吸入水泵支管；上游來流量小，或水泵運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)增加，進(jìn)水池上部的分流量不能滿足水泵需水要求，而右側(cè)水流縱向流速大，不易轉(zhuǎn)向，因此水流主要由流速較小的進(jìn)水池下游側(cè)倒流入進(jìn)水池內(nèi)，此時(shí)進(jìn)水池下游區(qū)域壓力減小，形成回流區(qū)，右側(cè)主流則向左側(cè)擺動(dòng)。

（2）泵站進(jìn)口段，受進(jìn)口體型突擴(kuò)影響，主流兩側(cè)有回流區(qū)，左側(cè)回流區(qū)小，右側(cè)回流區(qū)大，受兩側(cè)回流區(qū)水位和壓力差的作用，主流斷面進(jìn)一步壓縮。右側(cè)較大回流區(qū)偏離進(jìn)水池，且被主流隔離，其對(duì)進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)影響較小。泵站出口下游右側(cè)體型突擴(kuò)，產(chǎn)生漩渦或回流，由于漩渦背離進(jìn)水池，且被主流隔離，其對(duì)進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)影響可忽略。

（3）受水流偏流的影響，進(jìn)口平坡段底部水流橫向和垂向紊動(dòng)擴(kuò)散不充分，右側(cè)流速偏大，分流量大，左側(cè)進(jìn)水池上部區(qū)域流速小，分流量小。來流量越小，水深越低，水流橫向擴(kuò)散不充分越明顯。

（4）在北干1#隧洞輸水流量較小，而泵站抽水流量較大的不利工況下，進(jìn)水池內(nèi)有較大漩渦和回流。由于進(jìn)水池內(nèi)水深遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得臨界淹沒水深，且秒換水系數(shù)足夠大，各水泵進(jìn)水支管沒有貫通性吸氣漩渦?？紤]到進(jìn)水池內(nèi)水流分布不均及漩渦對(duì)水泵性能的影響，建議結(jié)合物理模型試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)水池體型進(jìn)行優(yōu)化，使水流沿程均勻擴(kuò)散，進(jìn)水池內(nèi)流速分布均勻，無漩渦和回流。