泵站非常规进水前池优化设计

摘要：为解决国内某泵站进水池内不良流态的问题，本文运用CFD数值模拟的方法，通过在进水池内设置隔墩等手段，设计了3个优化方案。优化结果表明：隔墩能起到很好的整流作用，但因其位置、长度、数量的不同，得到的整流效果也会有差异；进水池的形状对水的流态影响较大，特别是“急转角”等形状，大概率会引起脱流、漩涡等不良流态；优化方案3解决了进水池内存在的大漩涡问题，额定工况下，5＃泵机组在水力损失值上相较于原方案减小了约44％。

关键词：泵站；进水池；隔墩；数值模拟；漩涡

引言

泵站的进水方式可分为侧向进水和正向进水。在实际工程应用中，由于环境条件的限制，一般采用侧向进水的方式，但该方式常伴有漩涡、回流等不良的情况［1］。为了解决该问题，大量整流措施被提出。其中，设置导流板［2］、隔墩［3－5］、导流栅［6－7］、底坎［8－10］和立柱［10－11］等措施应用较多。国内某泵站采用了5台潜水轴流泵机组，当所有机组同时运行时，发现有一台机组会超功率运行，但单独运行该机组时，该机组正常。该泵站的进水池应用了侧向进水的方式，初步判定是进水池设计不合理造成的。本文应用CFD数值模拟的方法，对该问题进行了分析。

1泵站基本参数

该泵站共有5台潜水轴流泵机组，单机流量12m3／s，设计总流量60m3／s，泵站进水池的布置如图1所示。

2模型建立及求解器设置

为了计算的准确性，计算模型为实物1∶1建立，包括泵站3个进口闸门隔墩、侧向进水池、进水流道、5台泵机组等。为了消除出口对流道的影响，将出口向水流方向延长了直径的5倍距离。泵站进水池计算区域如图2所示。采用k－ε湍流模型，进水池的入口边界条件为总压入口，大小为1atm；每个泵机组的出口边界条件均设置为质量流量出口，大小为单机额定流量12m3／s；壁面为静止壁面，应用无滑移条件；液面为自由水面，设为对称边界条件。

3内流场数值模拟结果与分析

31流道性能计算结果

在额定流量12m3／s工况下，提取模拟计算得到5个泵机组出口断面的压力，根据公式计算得到1＃－5＃泵机组流道的水力损失分别为01223m、01291m、01219m、01391m、02419m。计算结果表明：1＃－3＃泵机组流道的水力损失基本一致，4＃泵机组流道的水力损失稍高，5＃泵机组流道的水力损失表现异常。这与5台机组同时运行时，5＃泵机组运行不正常的情况相符。

32流道流线分析

在额定流量工况下，进水池内部速度流场如图3所示。模拟计算结果表明，5＃泵机组前进水池内有一个直径很大的漩涡，该漩涡几乎堵住了5＃泵机组的进水，造成该泵机组流道的堵塞，且该漩涡也直接影响了4＃泵机组的进水条件，在进水池中靠近4＃泵机组的流道内也出现了流道堵塞的现象。在5＃泵机组前的大漩涡后，形成了一个反向漩涡，该反向漩涡同时也占用了闸门前的整个流道。这个现象和前文计算的流道水力损失结果相呼应。

4优化模型数值计算

41优化方案

1数值计算针对5＃泵机组前的大漩涡，考虑在进水池内图3进水池流线图增加3个“L”形的隔墩整流，隔墩厚度为06m，高度至常内涝水位。具体位置及形状如图4所示。该方案求解器的设置与原方案一致。在额定流量12m3／s工况下，1＃－5＃泵机组流道的水力损失分别为01252m、01565m、01257m、01181m、01696m，虽然4＃、5＃泵机组的水力损失有所下降，但2＃泵机组的水力损失却有所提升。优化方案1流场如图5所示，可以看出，5＃泵机组进水池内的大漩涡依然存在，仅比原方案的直径小一点，但该漩涡对4＃泵机组的影响较小。针对以上现象，可以得出以下3点猜测：（1）隔墩在该进水池内一定程度上起到了导流的作用；（2）隔墩过长或者空间位置不对，导致水流分配不均，引起了2＃泵机组水力损失的增加；（3）转角1处的形状至关重要，对5＃泵机组进水池内大漩涡的形成起到了关键的作用。

42优化方案

2数值计算针对优化方案1得出的猜测，对进水池做出了以下几点修改：（1）加大倒角2处的圆弧半径，在倒角1处增添一个圆弧倒角；（2）缩短了隔墩2、隔墩3的长度，并更改了3个隔墩的空间位置，具体的更改情况如图6所示。该方案求解器的设置与原方案一致。在额定流量12m3／s工况下，1＃－5＃泵机组流道的水力损失分别为01128m、01246m、01255m、01556m、01432m。相较于原方案，优化方案2的5＃泵机组在水力性能上提升了不少，其他4个泵机组的水力损失基本一致。优化方案2的流场如图7所示，可以看出，水流在倒角1处平滑过渡，但由于该处流道截面较小，导致该处水流速度较快。4＃泵机组水力损失较高，这是由于该机组同时受到从隔墩1和隔墩2处冲出水流的共同作用。5＃泵机组进水池内的大漩涡基本消除，闸门前的漩涡直径也有所减小。

43优化方案

3数值计算优化方案3在优化方案2的基础上做出了以下几点修改：（1）加大倒角1处的圆弧半径；（2）隔墩1形状和位置不变，去掉了隔墩3；（3）隔墩2朝隔墩3方向移动了一段距离，并加大了隔墩的图6优化方案2模型图7优化方案2流线图弧度。优化方案3具体的更改情况及与优化方案2的三维模型对比如图8所示。该方案求解器的设置与原方案一致。在额定流量12m3／s工况下，1＃－5＃泵机组流道的水力损失分别为011m、01298m、01428m、01359m、01355m。相较于其他方案，优化方案3各机组在水力性能上更优。优化方案3的流场如图9所示，从图中可以看出，由于增大了转角1处的半径，在与隔墩1的共同作用下，水流在该处的转向表现为有序、平缓，且5＃泵机组进水池内未出现原方案的大漩涡，能给5＃泵机组提供良好的进水条件。隔墩2起到了良好的导流、整流作用。优化方案3的进水池能够给5台泵机组提供优异的进水流态，水力性能良好。

5结论

本文以国内某泵站为研究对象，运用数值模拟的方法对已有进水池结构进行了优化设计，得出了以下结论：（1）引起该泵站5＃泵机组功率不正常的原因是侧向进水池设计的不合理。进水池缺乏合适的导流措施，从而在5＃泵机组前产生了直径很大的漩涡，导致出现了流道堵塞等现象。（2）合理设置隔墩的长度、空间位置及数量能够很好地起到导流、消除漩涡的作用。进水池的设计应该避免出现“急转角”等不良情况。（3）优化方案3能够给5台泵机组提供良好的进水条件。额定流量工况下，相较于原方案，方案3的5＃泵机组在水力损失模拟值上减小了约44％，其他泵机组模拟值与原泵基本一致。

作者:张坤 金雷 汪小峰 李星 单位:合肥恒大江海泵业股份有限公司 安徽省大型潜水电泵装备技术重点实验室