郁片紅，李君菡，付小莉

(1.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125；2.同濟大學土木工程學院，上海 200092)

0 引 言

泵站進水流道由前池和吸水室組成，前池是連接引水渠和吸水室的建筑物，其作用是讓水流平穩(wěn)且均勻地進入吸水室，為水泵提供良好的水流條件[1]。泵站進水流道設計不合理會造成不良流態(tài)，致使泵房效率低下，能耗變大，甚至產生渦流，直接影響泵房機組的正常運行[2-5]。因此，在泵站建設前分析其進水流道的流態(tài)是十分必要的。

隨著數(shù)值模擬技術的快速發(fā)展，越來越多的學者將計算流體力學CFD和實際工程相聯(lián)系，使其成為研究水體流動的重要手段之一[6-8]。本文以上海市寶山區(qū)張華浜雨水泵站作為研究對象，采用Fluent軟件對泵站進水流道的流態(tài)進行數(shù)值模擬，分析前池水流流態(tài)，為優(yōu)化泵站進水流道整流方案提供參考依據。

該雨水泵站分近遠期實施，近期安裝5臺水泵，遠期增加3臺水泵。單泵設計流量為2.60 m3/s，水泵平均揚程為7.95 m。泵站前池長22.4 m，吸水室長5.5 m，喇叭口高度為0.68 m，前池擴散角為24°，池底坡度0.16，循環(huán)水泵喇叭口直徑D為1.42 m。泵站結構圖如圖1所示，水泵編號順水流方向從左至右為1～8號，并設立喇叭口中心線3.5D斷面為分析斷面。

圖1 泵站結構圖(單位：mm)Fig.1 Schematic structure of the pumping station

1 泵站水流特性研究

1.1 泵站流道模型建立

1.1.1 水流控制方程

泵站進水流道的流態(tài)屬于充分發(fā)展的湍流流動，因此選用RNGk-ε紊流模型，其能較好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動[6]。對于Re數(shù)較低的近壁區(qū)內的流動，則使用壁面函數(shù)法。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k-ε方程：

(3)

(4)

1.1.2 邊界條件和網格劃分

(1)邊界條件。進口采用壓力進口邊界，出口邊界取在水泵吸水管出口處，采用質量出口。自由表面則采用剛蓋假定法簡化處理，對于壁面區(qū)的流動采用壁面函數(shù)法處理。為提高流場計算的精度，對各工況分別建立模型，劃分網格(見圖2)，并通過了網格無關性檢查。

圖2 泵站三維透視圖及網格劃分Fig.2 Grid of pumping station

(2)工況與初始條件。選擇流速橫向偏差較大的工況作為典型工況進行分析。開2、3、5、6號泵，總流量為10.40 m3/s，計算水深為3.3 m。模型進口處的湍動能k為0.006 5 m2/s2，湍動能耗散率ε為5.9×10-5m2/s3。

2.2 原設計方案數(shù)值計算成果分析

2.2.1 流道水力特性判別標準

(5)

2.2.2 流態(tài)與流速分析

圖3為設計方案下水深為3.3 m時不同切面的流線圖，當水流從引水管道進入前池后，斷面驟然擴大，致使流速減少，沿程壓力增大。由于慣性力的作用，中間邊壁附近的水流流速較大，主流未能擴散均勻，兩側形成偏流、回流及附壁渦。隨著位置下移，吸水室前的漩渦數(shù)量增多，且深入到吸水室隔墩處。又由于吸水室內隔墩高度較矮，未超過設計水位，使得吸水喇叭口附近的水流出現(xiàn)大范圍橫流，易引發(fā)水泵振動、氣蝕等現(xiàn)象，造成泵站效率降低、甚至不能正常工作的嚴重后果。

經過流速計算分析后發(fā)現(xiàn)流速分布的橫向偏差幾乎都大于30%，斷面橫向流速梯度也較大，流速穩(wěn)定性較差，不利于水泵穩(wěn)定運行。表1為水泵中心線上游3.5 D斷面處吸水喇叭口懸空高度處的流速分布，斷面最大流速為0.90 m/s，是最小流速的4.5倍；斷面最大橫向偏差出現(xiàn)在5號測點，其值甚至超過了125.7%，給水泵穩(wěn)定運行帶來不利影響。

圖3 進水流道內不同切面流線圖Fig.3 Streamlines of horizontal sections of inlet flow-passage

表1 吸水喇叭口懸空高度處的流速分布表Tab.1 Flow patterns on bell-mouth inlet

2 優(yōu)化方案

通過上述分析可知，在原設計方案下，主流在前池內不能充分擴散，集中在中間隔墻附近。且各斷面吸水喇叭口懸空高度處流速分布的橫向偏差較大，對泵站穩(wěn)定高效運行帶來較大的隱患，需對進水流道進行結構優(yōu)化。

2.1 整流方案制定

目前，關于泵站進水池的整流措施有很多，改變前池入流擴散角，在前池內設置底坎、衡梁和分流立柱，建設導流墩、導流墻等都是整流的有效措施[10]。其中導流墩控導干預均化水流的作用顯著，且結構與形態(tài)易于控制，工程量較少，方便施工[10-12]，所以本文提出的整流措施以布置導流墩為主。

(1)優(yōu)化方案1延長導流墩以改善泵站進水流道的流態(tài)，即兩泵之間的導流墩增長至3.0 D斷面處(距泵站后墻4.26 m)，并向下延伸至池低。

(2)優(yōu)化方案2是在優(yōu)化方案1的基礎上，繼續(xù)加長導流墩至3.5 D斷面，同時將導流墩加高至設計高水位以上，使各吸水室前的水流完全分隔。

(3)優(yōu)化方案3進一步改進，將進水口位置從整體正中進流改為單側正中進流。

2.2 優(yōu)化方案數(shù)值計算成果分析

2.2.1 流速流態(tài)分析

通過上文對原設計方案的分析，將優(yōu)化方案的流線圖與原設計方案的流線圖(見圖4)進行對比，3個優(yōu)化方案的水流流態(tài)在吸水室處明顯平順，回流的范圍顯著減小。再分析比較3個優(yōu)化方案的流線圖[見圖4(b-d)]：優(yōu)化方案1中吸水室里大面積橫流現(xiàn)象依舊存在。優(yōu)化方案2中吸水室附近有大面積橫流的問題明顯改善。優(yōu)化方案3中行進水流的主流充分擴散，不再集中于中間邊壁，各吸水室內流速分布也較均勻，主流集中相對集中的問題得以解決。進一步分析流速等值線云圖(見圖5)后發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案1相比，最大流速值并沒有明顯降低，流速分布的均勻度雖有提升，但并不顯著。采用優(yōu)化方案3后，主流充分擴散，不再集中于中間邊壁，吸水室的流速分布也較均勻。

圖4 整流前后進水流道流線圖Fig.4 Streamlines of inlet flow-passage before and after rectification

圖5 整流前后平面流速等值線云圖Fig.5 Velocity contour of inlet flow-passage before and after rectification

表2為整流前后水泵中心線上游3.5D斷面處吸水喇叭口懸空高度處的平均流速。分析可知：采用優(yōu)化方案3改變進口流道位置后，吸水喇叭口懸空高度處的流速分布均勻度有明顯提升，斷面處最大流速是最小流速的1.68倍，比原設計方案減少了62.7%。表3為整流前后水泵中心線上游3.5D斷面處吸水喇叭口懸空高度處的橫向偏差值，原設計方案中斷面最大橫向偏差值為125.7%，優(yōu)化方案1中斷面最大橫向偏差值出現(xiàn)在5號流道4號測點處，其值為104.1%，此位置處的橫向偏

表2 整流前后的斷面平均流速表Tab.2 Average flow velocity on bell-mouth inlet before and after rectification

表3 整流前后斷面橫向偏差值Tab.3 Lateral velocity deviation on bell-mouth inlet before and after rectification

差值在優(yōu)化方案2中降為77.8%。在優(yōu)化方案3中，斷面最大橫向偏差值減少為50.1%，降低了76%。

2.2.2 湍動能及湍動能耗散率

湍動能大小表示水流脈動大小及混合程度的強弱，反映了流動的紊動強度，湍動能耗散率反映紊動所產生的能量耗散大小[13.14]。斷面平均湍動能與耗散率沿程變化詳見圖6和圖7。由圖可見，水流在進入前池前的管道中，湍動能分布均勻且平均值較小；在流至前池入口前，湍動能和湍動能耗散率急劇變化，這是由于過水斷面面積忽然變大，水流在此處發(fā)生劇烈碰撞，脈動及混合程度都急劇增大。當水流流進前池時，湍動能及耗散率均出現(xiàn)最大值，這表明水頭損失主要集中在此段。水流進入前池后，在前段部分依然存在較強脈動。當水流沿前池繼續(xù)前進時，由于流體的耗散效應及斷面面積逐漸增大，水流流速逐漸降低且緩慢恢復到均勻分散的狀態(tài)，湍動能和湍動能耗散率也沿程降低。

圖6 湍動能沿程變化曲線Fig.6 Longitudinal variations of turbulent kinetic energy

圖7 湍動能耗散率沿程變化曲線Fig.7 Longitudinal variations of energy dissipation rate

在前池后段，3種優(yōu)化方案相應的湍動能大小沒有顯著差別，但明顯小于設計方案，說明3個優(yōu)化方案都優(yōu)于設計方案，能更有效地削弱水流的脈動強度，減少水泵發(fā)生空化的可能性。另外，三種優(yōu)化方案相應的耗散率沿程最大值也都高于設計方案，表明采取整流措施后，前池內能量耗散更劇烈，其中優(yōu)化方案3耗能最多。

3 結 論

(1)原設計方案中進水流道存在主流集中，回流及偏流等不良流態(tài)，且吸水喇叭口附近流速橫向偏差大，給水泵機組安全穩(wěn)定工作帶來不利影響。

(2)經過數(shù)值計算及分析，在進水流道內布設導流墩并改變進口位置作為整流措施后，流速顯著降低，主流充分擴散。吸水室的流速分布也較均勻，流態(tài)得到明顯改善。

(3)從湍動能及湍動能耗散率角度分析表明：采用整流措施能充分消能，降低脈動流速，減少氣蝕的產生，從而保證水泵高效運行。

□