金曉宇，王鐵力，袁 堯，楊 帆，周濟人

（1. 揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009； 2. 江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；3. 江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017）

0 引 言

前池是泵站進水建筑物的重要組成部分，水力性能優(yōu)異的前池不僅可以平順地擴散水流，為水泵吸水創(chuàng)造良好的入流條件，還能起到水位調節(jié)的作用，保障泵站高效安全運行。泵站前池按照進水方向可分為正向進水前池和側向進水前池，當?shù)匦螚l件受限無法滿足正向進水前池布置時，常常采用側向進水前池，由于其水流方向一般與進水池軸線方向斜交，易造成回流、漩渦等不良流態(tài)，從而造成水流條件的惡化，影響水泵的正常運行。《泵站設計標準（GB50265-2022）》針對側向進水前池流態(tài)問題，在8.2.2節(jié)指出對大中型泵站應采用數(shù)學模型分析進水池水流流態(tài)，必要時通過水工模型試驗進行驗證，表明了側向進水前池流態(tài)的復雜性。針對泵站前池及進水池流態(tài)的改善，國內外學者進行了不少的研究工作，如：采用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術對前池流態(tài)進行整流措施的分析［1-3］，基于物理模型試驗對泵站進水前池流態(tài)改善開展研究［4-6］；采用CFD 技術對前池和進水池內部流動規(guī)律進行數(shù)值模擬［7-10］。在以往學者研究的基礎上，本文以江蘇省揚州市施橋翻水站為研究對象，為解決該泵站側向進水前池內部流態(tài)紊亂的問題，通過數(shù)值模擬方法定量和定性地分析研究了原方案及不同整流方案時前池和進水池內部流態(tài)的變化規(guī)律，對比了整流前后各機組進水池的進口斷面和前池出流斷面的軸向流速均勻度和速度加權平均角，以評價各個整流方案的效果。

1 工程概況

施橋翻水站位于江蘇省揚州市廣陵區(qū)境內，為側向進水泵站，該工程主要承擔備塘河的引配水，起到防汛排澇的功用，大大提高了上塘河、備塘河的水質。泵站平面布置見圖1，引渠段長30.0 m，引渠的底高程為-1.0 m，前池抽排水位為2.0 m。該泵站共有6 個進水池，每個進水池的長度為8.2 m，進水池的底高程為-1.0 m，每個進水池配有一臺立式軸流泵機組，總設計流量Q設為25.0 m3/s。該泵站實際運行過程中，側向進水前池出現(xiàn)大范圍的回旋水域，如圖2所示。

圖1 泵站平面布置圖Fig.1 Layout plan of pumping station

圖2 前池表面大尺度漩渦Fig.2 Large-scale vortex on forebay surface

2 計算模型及模擬方法

2.1 計算模型

本文所示泵站工程的計算區(qū)域包括引渠的末端、側向進水前池、進水池及6 臺水泵機組，采用UG 軟件對其計算域進行三維建模，整體計算模型如圖3 所示。該泵站前池的長度為31.2D，前池的寬度為85.7D，進水池的長度為5.9D，進水池的凈寬為2.5D（其中：D為水泵喇叭管的管口直徑）。

圖3 泵站三維模型及尺寸圖Fig.3 Three-dimensional model and size diagram of pumping station

2.2 數(shù)值模擬方法

泵站側向進水前池內水流的流動為三維不可壓縮湍流流動，故采用RNGk-ε方程和雷諾時均N-S（Navier-Stokes）方程［11，12］，該方程與標準k-ε方程相比，在湍流中考慮了渦流的影響，提高了旋渦流動的精度；在ε方程中增加了反映主流應變率的一項，提高了高速流動的準確性；同時低雷諾數(shù)特定的微分方程也使得它能夠更好地處理雷諾數(shù)流動和低壁流動。計算域的進口取引渠的進水斷面，設為質量流量進口；計算域的出口為出水管道的出口面，設為壓力出口，參考壓力為1.0 atm；壁面條件設置包括前池、進水池、喇叭管和管道的壁面，均采用無滑移的壁面；根據(jù)剛蓋假定，引渠、前池及進水池的表面設置為自由水面，忽略空氣對水面產(chǎn)生的切應力和熱交換，采用剛蓋假定。前池各物理量的殘差收斂精度為1.0×10-5，滿足文獻［13］中數(shù)值計算關于精度的要求。

2.3 網(wǎng)格無關性分析

在ICEM CFD 軟件中對側向進水前池進行非結構化網(wǎng)格劃分，為保證網(wǎng)格的質量和計算的可靠性，對結構連接處和出水彎管段進行加密，滿足數(shù)值計算中關于網(wǎng)格質量的要求。為了分析網(wǎng)格數(shù)量對計算結果無關性的影響，采用7組網(wǎng)格數(shù)量，分別為4 705 591、5 333 698、5 443 225、5 726 058、6 130 109、6 301 548、6 841 616，對應產(chǎn)生網(wǎng)格方案的編號依次為1～7，為了減少網(wǎng)格數(shù)量對前池流動特性計算結果的影響，本文以前池的水頭損失作為衡量計算結果的依據(jù)，水頭損失的計算方法參考文獻［14］，當水頭損失之間變化不明顯時，則該網(wǎng)格數(shù)量是合理的。

圖4 反映了不同網(wǎng)格數(shù)量下前池的水頭損失，當網(wǎng)格數(shù)量超過6 130 109時，水頭損失無明顯變化，相對誤差控制在2%以內，滿足文獻［15］中側向進水前池數(shù)值分析關于數(shù)值計算精度的要求。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)量下水頭損失Fig.4 Hydraulic losses under different grid numbers

3 特征斷面與整流方案

3.1 特征斷面

選取前池和進水池共3 個特征斷面，各特征斷面的位置如圖5 所示，各斷面位置分別為斷面1-1，距泵軸線1.3D，斷面2-2 距泵軸線5.6D，斷面3-3 距離池底面0.4D，其中D為水泵喇叭管的管口直徑。

圖5 特征斷面位置圖Fig.5 Location map of characteristic section

在特征斷面的選擇上，考慮了以下幾點：喇叭管附近水流的流態(tài)特征直接影響了水泵的安全運行，則在近喇叭管處設斷面1-1；前池出口斷面銜接前池和進水池，在此處設斷面2-2；在喇叭口與底板的中間位置設斷面3-3，用以分析流態(tài)的變化。采用定性分析與定量計算相結合的方法分析比較各整流措施時前池的整流效果。

3.2 整流方案

因方案1（原方案）下泵站側向進水前池的流態(tài)較差，為了改善前池和進水池的流態(tài)，借鑒前人采取的整流措施以及泵站前池的設計要求，制定了4種不同的方案進行分析比較，得出優(yōu)選方案。表1 及圖6 為泵站側向進水前池的整流方案，各整流方案具體尺寸如表2所示。

表1 泵站側向進水前池整流方案Tab.1 Rectification scheme for side-inlet forebay of pumping station

表2 弧形導流墻的控制尺寸Tab.2 Control sides of arc-shaped diversion wall

圖6 各整流方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of each rectification scheme

4 計算結果分析

4.1 方案1前池水流流態(tài)分析

在前池方案1（原方案）中，泵站在側向進水條件下，由于水體轉彎會產(chǎn)生向外側的離心力，迫使水流在變向的途中，外側流速降低，壓力升高，而內側流速升高，壓力降低，因此外側水體有擴散的趨勢，內側水體有收縮的趨勢。而當水流完成轉向，由前池到進水池的過程中，內外側水體流動趨勢恰好相反，外側收縮，內側擴散，這樣使得水流脫離邊壁而形成漩渦區(qū)，而在變向過程中水體因為慣性，有流向外側邊壁的趨勢，這種趨勢進一步加深了水流的脫流，導致前池過流斷面顯著減小，流線分布不均，形成大尺度，大范圍的回流，導致了前池流態(tài)的惡化，進一步影響了水泵的安全運行。由圖7（a）可知2、6 號進水池流態(tài)較為紊亂，流線分布不均，水流不斷沖擊外壁，影響泵裝置的正常運行。

圖7 各方案底層流線圖Fig.7 The bottom streamline diagram of each scheme

4.2 方案2對前池流態(tài)的影響

針對方案1 產(chǎn)生的不良流態(tài)，在側向進水前池中順水流方向設置弧形導流墻，以約束水流沿著墻體流動，在水流進入進水池前獲得均勻且穩(wěn)定的流態(tài)。由圖7（b）可知，2 號與6 號進水池的內部水流趨于均勻分布，流態(tài)有所好轉，3 號、4 號和5 號進水池內部流線較為平順，但1號進水池左側出現(xiàn)小范圍旋渦，進水池內存在回流區(qū)。方案2前池流態(tài)總體較原方案水流情況有所好轉。

4.3 方案3對前池流態(tài)的影響

針對方案2 前池流態(tài)調控的問題，采用方案3，在弧形導流墻的基礎上，在前池底部增設底坎，增設底坎可造成水流坎后翻滾，破壞平面回流，重新分配流速。經(jīng)過弧形導流墻后，水流已改變了運動狀態(tài)，再受底約束阻擋，水流積蓄了動量，增加了對流速率，致使流態(tài)較方案2有了很大的改變，3～6號進水池進口出現(xiàn)了大量紊流，6號進水池右下方出現(xiàn)了大尺度回旋，嚴重破壞了水流路徑，流線分布不均，形成了不良的流態(tài)，如圖7（c）所示。

4.4 方案4對前池流態(tài)的影響

由方案3 可知，在導流墻后設底坎并不能有效改善水流的流態(tài)，經(jīng)導流墻改變的水流流線越坎后會發(fā)生翻滾，迫使流線本身發(fā)生二次改變。單獨設置弧形導流墻對比方案1流態(tài)改善效果并不明顯，且弧形導流墻施工難度較大，對地基要求較高，因此在方案3 的基礎上去除弧形導流墻，單獨設底坎，為方案4。意在通過增設底坎，使得水流在自由情況下獲得充足的動量，以在越坎之后處在順流的方向上，由圖7（d）可知，水流經(jīng)過底坎后流線非常平順、呈對稱分布，與原方案相比，流態(tài)改善明顯，整流效果很好。

4.5 水力性能參數(shù)分析

進水池在設計時需滿足均勻的流速分布，以達到良好的進水流態(tài)。采用進水池斷面1-1 的軸向流速分布均勻度Vzu［16］和速度加權平均角β［17］來評測進水池流態(tài)的好壞。進水池斷面1-1 如圖5 所示，理想情況下，Vzu的取值為100%，表明流速分布均勻；β的取值為90°，表明進水流道無橫向速度。

圖8 為不同方案下各機組進水池斷面1-1 的軸向流速分布均勻度及速度加權平均角，由圖8 可知方案1 的2 號及6 號進水池流態(tài)較差，軸向流速分布均勻度和速度加權平均角都較小，相比于其他機組的進水池差異明顯，在前池設置了弧形導流墻（方案2）后，2 號進水池流態(tài)得到了改善，軸向流速分布均勻度較方案1 提高了50%，2 號和6 號進水池斷面1-1 的速度加權平均角較方案1也提高了15%；方案3在方案2基礎上于前池底部設置底坎，水流的軸向流速分布均勻度有一定程度的降低，流態(tài)較方案1 變化較大；方案4 僅設置底坎，軸向流速分布均勻度與速度加權平均角較方案1 均有很大程度的提升，且1～6 號進水池之間軸向流速分布均勻度與速度加權平均角數(shù)值波動較小，水流平穩(wěn)，流態(tài)較好。

圖8 不同方案下各機組進水池斷面1-1的軸向流速分布均勻度及速度加權平均角Fig.8 Axial velocity distribution uniformity and velocity weighted average angle of intake sump section 1-1 in each unit under each scheme

為了更加全面地比較各個整流方案的優(yōu)劣，選取前池和進水池的交界面，對特征斷面2-2 進行分析，將進水池進口斷面2-2 的平均偏流角θ［18］和行近流速-V［19］作為評測水流銜接段流態(tài)好壞的依據(jù)。進水池進口斷面2-2如圖5所示。

當進水池進口斷面2-2 的平均偏流角越小，表明水流的偏流程度越低，前池與進水池之間銜接越平順，理想情況下，θ的取值為0°；而行近流速波動越少，則速度分布越均勻，流態(tài)越好。

不同方案下進水池進口斷面2-2的平均偏流角和行近流速如圖9 所示。由圖9 可知，方案1（原方案）時2 號和6 號進水池前斷面的平均偏流角較大，行近流速分布不均勻，說明方案1下前池與進水池之間水流的流態(tài)過渡較差；方案2 時，2 號進水池前流態(tài)得到明顯改善，斷面的平均偏流角顯著降低且行近流速和3-5 號進水池保持一致，但1 號進水池前水流偏流程度較方案1有所加深，其余進水池前流態(tài)無明顯變化，該方案對流態(tài)總體影響不大；方案3 斷面的平均偏流角較原方案整體有所提高且6 號進水池前水流流速較大，整流效果較差；方案4 斷面的平均偏流角較方案1 顯著下降，且各進水池前水流偏流程度大致相同，行近流速分布波動較小，流速分布均勻，整流效果最好。

圖9 各機組進水池進口斷面2-2的平均偏流角及行近流速分布Fig.9 Average drift angle and approach velocity distribution of intake sump section in each unit under each scheme

圖10 和圖11 分別為方案1 和方案4 設計流量下特征斷面1-1的速度等值線圖［20］，受慣性影響，大量水流貼著壁面進入進水池，使方案1的2號和6號進水池在右側區(qū)域的流速明顯高于左側，左側出現(xiàn)負流速區(qū)；流速分布紊亂，流態(tài)較差。對比圖10和圖11，方案4 相比于方案1，正流速區(qū)面積明顯擴大，2 號和6號進水池中負流速區(qū)消失，整個進水斷面流速高峰分布在水池中心，流速分布對比方案1比較均勻，呈對稱分布。該方案較好地改善了泵站側向進水前池流速分布不均的問題。

圖10 方案1設計流量下特征斷面1-1速度等值線圖（單位：m/s）Fig.10 Velocity contour map of characteristic section 1-1 at the design flow under scheme 1

圖11 方案4設計流量下特征斷面1-1速度等值線圖（單位：m/s）Fig.11 Velocity contour map of characteristic section 1-1 at the design flow under scheme 1

5 結 論

基于數(shù)值模擬技術對3種整流方案下側向進水前池及進水池的流態(tài)進行了聯(lián)合分析，明確了各機組進水池和前池特征斷面的流速分布，分析了各特征斷面的水力性能參數(shù)，得出以下結論。

（1）弧形導流墻可改變水流流動軌跡以適應流線方向，對水流起到很好的導向作用；底坎可調節(jié)平面回流，為水流積蓄動量，對水流流速進行重新分配，改善流態(tài)。

（2）通過對3種整流方案的前池及進水池流態(tài)分析，采用僅增設底坎的整流方式能很好地調控水流，流線分布均勻，進水池內部流速分布更為合理，整流效果最佳；在弧形導流墻后增設底坎反而某種程度上使得水流朝著紊亂的方向發(fā)展，并不能起到改善流態(tài)的作用

（3）相比于方案1（原方案），經(jīng)方案4 整流后，側向進水前池所選進口特征斷面軸向流速分布均勻度平均提高了約30%，斷面速度加權平均角提高了約5%，上述整流措施可為同類泵站側向進水前池進水的流態(tài)改善提供一些參考。