張 靜，朱 萱

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223000)

在水利工程中，泵站的運(yùn)行是確保水資源供應(yīng)、排水和灌溉等方面順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前多數(shù)水利工程泵站運(yùn)行效率低下，其主要原因之一是泵池或取水口設(shè)計(jì)存在缺陷[1-3]。泵站的性能和效率不僅取決于泵機(jī)本身的效能，還取決于進(jìn)水口的合理設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)高效的進(jìn)水口不僅能夠保證水質(zhì)的清潔度、穩(wěn)定的水量供應(yīng)，同時(shí)還能保證泵站的高效、可靠運(yùn)行[4-5]。

當(dāng)前，一部分學(xué)者對(duì)泵站進(jìn)水口設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究。彭元春[6]以某灌區(qū)泵站進(jìn)水流道為例，利用物理模型和正交試驗(yàn)的方法，探討了4個(gè)主要參數(shù)對(duì)泵站進(jìn)水流道水力學(xué)性能的影響；袁連沖等[7]以某污泥回流泵站為例，針對(duì)側(cè)流入結(jié)構(gòu)引起的逆流工況及泵運(yùn)行安全問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；李玲玉[8]利用CFD軟件，對(duì)比不同尺寸下進(jìn)水池流量分布的均勻性、靜壓分布和流態(tài)分布，分析各方向尺寸變化對(duì)進(jìn)水水流的影響；李鵬等[9]基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)，對(duì)原設(shè)計(jì)雨水泵站入口流型進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了雨水泵站的流場(chǎng)狀態(tài)；董磊等[10]應(yīng)用三維數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)可行性研究階段的鄭集東站進(jìn)水布置形式進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出了較優(yōu)的進(jìn)水布置方案供工程應(yīng)用。

本文以江蘇某泵站工程為例，使用CFD模擬方法對(duì)現(xiàn)有泵進(jìn)水口的流動(dòng)行為進(jìn)行了研究，并針對(duì)進(jìn)水口設(shè)計(jì)存在流動(dòng)不穩(wěn)定和速度較低的問(wèn)題，提出了重新分配流線和減少進(jìn)水口距離的優(yōu)化方案，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本工程泵站修建的主要目的為灌溉用水，泵站規(guī)模為小(2)型，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)，洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇設(shè)計(jì)，30年一遇校核。泵站內(nèi)設(shè)2臺(tái)臥式多級(jí)離心泵(一用一備)，向提水區(qū)供水，泵站為一層，布置有中控室、泵站檢修區(qū)等。本工程根據(jù)樞紐總體規(guī)劃和布置，泵站設(shè)1座，2臺(tái)水泵，配套2臺(tái)電機(jī)。本泵站用電負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷，采用10kV架空線路接入系統(tǒng)，壩區(qū)電源由獅子巖10kV輸電線經(jīng)架空線路引來(lái)，接入點(diǎn)容量、供電線路導(dǎo)線截面積及運(yùn)行情況均滿足可靠性要求，選用JKLYJ-70/10kV型架空絕緣線，輸電距離400m。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，泵站設(shè)計(jì)房屋為一層磚混結(jié)構(gòu)，火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為戊類，耐火等級(jí)為三等。

2 CFD數(shù)值理論

CFD(Computational Fluid Dynamics)理論是一種數(shù)值模擬方法，用于研究流體力學(xué)和熱傳遞現(xiàn)象。它基于流體力學(xué)原理和數(shù)值方法，通過(guò)離散化流體連續(xù)介質(zhì)，將流體動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)化為數(shù)值求解的形式，從而模擬和預(yù)測(cè)流體流動(dòng)的行為。在泵進(jìn)氣口的CFD模型中，主要使用雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方程。RANS方程是流體力學(xué)中的基本方程之一，主要基于質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理，在式(1)和式(2)中分別以笛卡爾張量的形式表示：

(1)

(2)

式中，ρ—流體密度，kg/m3；t—時(shí)間，s；Ui、Uj—方向i和j的速度分量，m/s；xi、xj—方向i和j的位移分量，m。

而三維Navier-Stokes方程在笛卡爾坐標(biāo)系中的方程由式(2)—(5)表示：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，VF—流體體積分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱；u、y、w—速度分量，m/s；Ax、Ay、Az—與流動(dòng)相關(guān)的面積分量，無(wú)量綱；R—紊流擴(kuò)散系數(shù)，無(wú)量綱；Gx、Gy、Gz—物體加速度，m/s2；fx、fy、fz—x、y、z方向上的黏度加速度，m/s2；RSOR—質(zhì)量源；RDIF—湍流，無(wú)量綱；P—壓力，Pa。

對(duì)于以上方程的空間離散化，采用有限體積法。物理求解域被劃分為多個(gè)單元格，在每個(gè)體積單元的幾何中心存儲(chǔ)所有相關(guān)變量。方程使用高斯定理在單元格上進(jìn)行積分。

3 數(shù)值模型建立

本次主要采用CFD軟件包進(jìn)行建模，為電站設(shè)計(jì)了一個(gè)三維模型。排水管、葉輪、泵和5個(gè)立式泵的5個(gè)進(jìn)水口。研究工況包括停運(yùn)某一進(jìn)水口但運(yùn)行其他機(jī)組，輪番調(diào)換，以探索電站內(nèi)機(jī)組運(yùn)行情況，選擇最佳方案來(lái)控制流量。圖1給出了泵站吸水池的二維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型。

圖1 數(shù)值模型

在進(jìn)行CFD模擬時(shí)，邊界條件設(shè)置如下：在入口邊界處，流體的入口速度為均勻分布。同時(shí)，指定入口處的靜態(tài)壓力為1atm。在出口邊界處，設(shè)定出口處的靜態(tài)壓力為1atm。流體從該處完全離開(kāi)計(jì)算域，因此可以將出口處的速度設(shè)置為0。對(duì)于與固體壁面接觸的流體區(qū)域，設(shè)置壁面無(wú)滑移條件，即假設(shè)壁面上的速度為0。

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 進(jìn)水口全運(yùn)行

圖2給出了各機(jī)組全運(yùn)行下流線分布。圖2(a)給出了抽水池中和泵進(jìn)水口的流線。對(duì)于第一種工況，當(dāng)所有5個(gè)機(jī)組都運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)流線的寬度達(dá)到了最大水位和自由表面。此外，3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)機(jī)組隨著吸入通道軸的外部彎曲，流線十分密集，而對(duì)于1號(hào)機(jī)組，隨著吸入通道的內(nèi)部彎曲，流線減少。圖2(b)給出了各機(jī)組內(nèi)部流線的分布。由圖可知，5個(gè)單元的內(nèi)部流線分布不規(guī)則，流線外部彎曲處出現(xiàn)明顯分離區(qū)，在管道外曲率方向上密集，中心線處顯示了一個(gè)相對(duì)緩沖區(qū)，朝向機(jī)組1的速度相對(duì)較低。另一方面，從管道底部的流動(dòng)方向的形狀來(lái)看，拉力螺旋(漩渦)和流動(dòng)方向的分離區(qū)(尤其是單位數(shù)1和5)對(duì)進(jìn)口流體的運(yùn)動(dòng)具有明顯的影響。

圖2 各機(jī)組全運(yùn)行下流線分布

4.2 3、4、5號(hào)進(jìn)水口運(yùn)行

圖3給出了3、4、5號(hào)進(jìn)水口運(yùn)行下的流線圖。當(dāng)3個(gè)機(jī)組(3、4、5號(hào)機(jī)組，位于吸入通道的外彎曲處)運(yùn)行時(shí)，吸入通道外彎曲處的流線行為比內(nèi)彎曲處的更均勻，機(jī)組入口處出現(xiàn)渦流(機(jī)組1和機(jī)組2)。另外，進(jìn)水口內(nèi)彎上存在速度緩沖區(qū)，而從流向來(lái)看，5號(hào)機(jī)組存在分離和漩渦區(qū)。

圖3 3、4、5號(hào)進(jìn)水口運(yùn)行下的流線圖

4.3 1、2、3號(hào)進(jìn)水口運(yùn)行

圖4給出了1、2、3號(hào)進(jìn)水口運(yùn)行下的流線圖。由圖可知，當(dāng)3個(gè)機(jī)組(位于吸入路徑內(nèi)彎的機(jī)組1、2、3)運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)最大水平的流線十分不規(guī)則，與遠(yuǎn)離機(jī)組1、2、3的流線方向相反，影響了流線形成的曲率。另一方面，可以清楚地看到，工作裝置入口前流線方向的突然變化，同時(shí)第一機(jī)組中的旋渦對(duì)湍流有明顯影響。最后還可以看到，3個(gè)機(jī)組入口處速度不規(guī)則，在水平面上存在分離區(qū)和渦流。

圖4 1、2、3號(hào)進(jìn)水口運(yùn)行下的流線圖

4.4 泵站進(jìn)水口優(yōu)化

從以上結(jié)果來(lái)看，目前的泵站進(jìn)水口設(shè)計(jì)有兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是由于吸入管道的急劇彎曲，阻礙了機(jī)組入口處流動(dòng)的穩(wěn)定性，特別是當(dāng)機(jī)組1、5同時(shí)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組入口處的水流分布不均勻。第二個(gè)問(wèn)題是存在速度相對(duì)較低的區(qū)域，因此促使該區(qū)域成為沉積物堆積的地方，這將影響了機(jī)組的工作。因此，建議重新分配吸入池和機(jī)組入口處的流線來(lái)進(jìn)行解決。本文提出的解決方案為減少進(jìn)水口距離來(lái)調(diào)節(jié)和分配泵站入口處的流線，設(shè)計(jì)圖如圖5所示。圖6給出了優(yōu)化后的泵站進(jìn)口流線分布圖。由圖可知，在減少進(jìn)水口距離后，在機(jī)組入口處展現(xiàn)出良好的流線分布，尤其是在具有流動(dòng)管線的機(jī)組機(jī)組1、5處，大大改善了之前進(jìn)水口效率低下的機(jī)組，提高了泵站運(yùn)行效率。

圖5 優(yōu)化后的泵站進(jìn)水口

圖6 優(yōu)化后的泵站進(jìn)口流線分布

5 結(jié)語(yǔ)

本文以江蘇某泵站工程為例，使用CFD模擬方法對(duì)現(xiàn)有泵進(jìn)水口的流動(dòng)行為進(jìn)行了研究，并針對(duì)進(jìn)水口設(shè)計(jì)存在流動(dòng)不穩(wěn)定和速度較低的問(wèn)題，提出了重新分配流線和減少進(jìn)水口距離的優(yōu)化方案。研究結(jié)果表明，通過(guò)重新分配流線并減少進(jìn)水口距離的優(yōu)化方案，可以改善機(jī)組入口處的流線分布，特別是對(duì)于具有流動(dòng)管線的機(jī)組，能夠較大提高泵站的運(yùn)行效率，證明了本優(yōu)化方案的可行性，可為相關(guān)工程提供參考。