泵站進水池數值模擬優化設計分析
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摘要：進水池對水泵進水流態影響較大。利用CFD軟件，對某河口泵站進水池進行三維數值模擬計算。受場地制約，通過對比不同尺寸下進水池流量分布的均勻性、靜壓分布和流態分布，分析各方向尺寸變化對進水水流的影響。結果表明：將方形進水池改為收縮式、減少進水池寬度收縮角、消除進水池高度方向棱角，均可改善進水池流態分布，減小流量偏差比，并減少回流面積，共降低水頭損失0.25m，給泵站進水池設計提供支持。
關鍵詞：進水池；尺寸；優化；數值模擬
引言
泵站進水前池是連接引渠與水泵進水流道的重要水工建筑物，其形狀和尺寸不僅關系水泵進水流態，對泵站的投資和管理運行也帶來較大影響。在水泵機組較多的情況下，為保證池中有較好的流態，需要增加池長，從而導致工程量和占地面積的增加。而某河口泵站受場地制約，引水箱涵及進水池空間有限，需對擬定的進水池布置方案進行優化設計，改善流態分布，減少水力損失。近年來，已有許多研究人員采用數值模擬或水工模型試驗[1-4]對泵站進水池進行研究，并提出許多流態改善的措施。本文針對該工程空間尺寸受限及箱涵引水的特點，采用CFD技術，將與進水池連接的引水箱涵及進水流道整體進行數值模擬計算，對不同尺寸及形狀下的進水池進行流量分布均勻性、靜壓分布和內部流態分析，對泵站進水池設計提供支持。
一、數值計算方法
1．計算模型某泵站排澇規模約235m3/s，擬設計采用四臺斜式軸流泵，引水箱涵采用頂管施工。泵站進水池非開敞式，故不考慮自由液面對進水池的影響。如圖1所示，為包含引水箱涵、進水池及進水流道的泵站進水側流道數值模擬計算模型。2．計算區域及網格對泵站進水側流道進行研究，計算區域包含進水池及泵裝置進水流道。計算區域的邊界由固體邊壁、進水池進口端面和泵裝置進水流道出口斷面組成。進水側上方結構較為簡單，采用六面體網格劃分，泵裝置進水流道為圓方漸變結構，故采用以四面體為主的混合網格劃分。網格總數在200~250萬之間，網格質量滿足計算要求。3．湍流模型及邊界條件采用CFD軟件對水泵進水池前管道、進水池及泵段進水流道模擬計算。考慮到水池及水泵進水流道內部流動為三維不可壓縮黏性流體流動，數值計算采用連續性方程和N-S方程為控制方程[5]，采用Spalart-Allmaras[6]單方程模型為湍流數值模擬方法。采用二階迎風格式，隱式求解。利用SIMPLEC算法實現壓力和速度耦合。進口邊界條件采用速度進口條件，在進水池進口面處，給定流速值。出口條件采用壓力出口條件，在泵裝置進水流道出口處，給定壓力值。在臨近固壁的區域采用了標準壁面函數，固壁面采用無滑移邊界條件。
二、優化設計及分析
1．長度方向尺寸優化由于常規設計中進水池為方形，對水流影響較大，將其直角部分切割，并建立三種不同長度及傾斜角的進水池，進行CFD模擬計算，對應的泵站進水側流道示意圖如圖3所示。（1）流量偏差長度方向不同尺寸時進水側流道數值模擬計算結果，如表1所示。這四個方案計算工況下，流道總流量一致，均接近于235m3/s，滿足設計要求。水頭損失是是衡量流道性能的重要指標。從原方案至方案四，水頭損失及流量偏差比依次降低，其中由原方案至方案二，由方案三至方案四時，降低幅度較大，說明沿長度方向尺寸的變化對進水池水力性能影響較大。（2）靜壓分布圖3為長度方向不同尺寸時進水側流道靜壓分布圖。由圖可見，進水池上方靠泵側均有局部高壓，說明水流對進水池的沖擊主要集中在此處。方案二至方案四中，進水池下方處壓力面有高壓，這主要是因為由于重力作用，水流在水池底部壓強較大。（3）流線分布圖圖4為沿長度方向不同尺寸泵站進水側各方案的流線分布圖。由圖可見，進水口處流態平穩，泵裝置出水流道處，由于面積較小，流速增大。整體來看，原方案中流態最為混亂，回流面積最大，原方案至方案四，回流面積依次減少，但仍有較大面積的回流現象。2．寬度方向尺寸優化由于方案四中水流在水平方向仍有較大面積的回流及漩渦現象，為進一步減少回流情況，在寬度方向建立兩種不同傾斜角的進水池，方案五在方案四的基礎上，將進水池收縮傾角減小，方案六在方案五的基礎上，收縮過渡段做成喇叭狀，不同方案泵站進水側流道示意圖如圖5所示。（1）計算結果寬度方向不同尺寸時進水側流道數值模擬計算結果，如表2所示。各方案水頭損失相差不大，其中，方案五水頭損失最小、流量偏差比最小，說明其進入四個泵裝置進水流道的流量較為均勻。（2）流速分布圖圖6為寬度方向不同尺寸進水側流道流速分布圖。由圖可見，方案五與方案六較方案四，在水平面上的回流面積有大幅減少；而方案六中，由于喇叭狀收縮段，產生脫流現象，從而導致水力損失的增大。3．高度方向尺寸優化由于方案五中水流在進水池下方回流面積較大，為進一步減弱回流，減小水頭損失，在高度方向建立兩種不同傾斜角的進水池。方案七在方案五的基礎上，在進水池靠泵側上方使過渡更加平滑；方案八在方案七的基礎上，在進水池靠進口側下方使過渡更加平滑，不同方案泵站進水側流道示意圖如圖7所示。（1）計算結果寬度方向不同尺寸時進水側流道數值模擬計算結果，如表2.3所示。各方案水頭損失依次減小，其中，方案八水頭損失最小。另外，各方案的流量偏差比相差較小，方案七流量偏差比最小，說明其進入四個泵裝置進水流道的流量最為均勻。（2）流速分布圖圖8為沿高度方向不同尺寸泵站進水側各方案的流速分布圖。由圖可見，高度方向尺寸的優化可減少豎直方向上回流面積，方案七中基本消除了方案五中進水池上方靠泵側的小面積回流情況，且進水池下方的回流面積也有減小；而方案八中進水池下方的面積最小，這與其水頭損失最小相吻合。考慮施工方便等因素，綜合考慮推薦采用方案七。
三、結論
（1）改變進水池長度方向尺寸，將方形進水池改為收縮式，可明顯改善進水側流道流態分布，降低水頭損失，減少流量偏差比，并減小回流面積。（2）減少進水池寬度收縮角，可進一步小幅改善進水側流道流態分布，并說明，收縮角較小時對水流的影響較小，喇叭狀的收縮角不如直線型收縮角。（3）進水池高度方向棱角平滑后，可使進水池在豎直方向的回流區減小，可小幅改善進水側流道流態分布，降低水頭損失，并減小回流面積。
參考文獻
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作者：李玲玉 單位：上海友為工程設計有限公司