泵站非常規進水前池優化設計

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摘要：為解決國內某泵站進水池內不良流態的問題，本文運用CFD數值模擬的方法，通過在進水池內設置隔墩等手段，設計了3個優化方案。優化結果表明：隔墩能起到很好的整流作用，但因其位置、長度、數量的不同，得到的整流效果也會有差異；進水池的形狀對水的流態影響較大，特別是“急轉角”等形狀，大概率會引起脫流、漩渦等不良流態；優化方案3解決了進水池內存在的大漩渦問題，額定工況下，5＃泵機組在水力損失值上相較于原方案減小了約44％。

關鍵詞：泵站；進水池；隔墩；數值模擬；漩渦

引言

泵站的進水方式可分為側向進水和正向進水。在實際工程應用中，由于環境條件的限制，一般采用側向進水的方式，但該方式常伴有漩渦、回流等不良的情況［1］。為了解決該問題，大量整流措施被提出。其中，設置導流板［2］、隔墩［3－5］、導流柵［6－7］、底坎［8－10］和立柱［10－11］等措施應用較多。國內某泵站采用了5臺潛水軸流泵機組，當所有機組同時運行時，發現有一臺機組會超功率運行，但單獨運行該機組時，該機組正常。該泵站的進水池應用了側向進水的方式，初步判定是進水池設計不合理造成的。本文應用CFD數值模擬的方法，對該問題進行了分析。

1泵站基本參數

該泵站共有5臺潛水軸流泵機組，單機流量12m3／s，設計總流量60m3／s，泵站進水池的布置如圖1所示。

2模型建立及求解器設置

為了計算的準確性，計算模型為實物1∶1建立，包括泵站3個進口閘門隔墩、側向進水池、進水流道、5臺泵機組等。為了消除出口對流道的影響，將出口向水流方向延長了直徑的5倍距離。泵站進水池計算區域如圖2所示。采用k－ε湍流模型，進水池的入口邊界條件為總壓入口，大小為1atm；每個泵機組的出口邊界條件均設置為質量流量出口，大小為單機額定流量12m3／s；壁面為靜止壁面，應用無滑移條件；液面為自由水面，設為對稱邊界條件。

3內流場數值模擬結果與分析

31流道性能計算結果

在額定流量12m3／s工況下，提取模擬計算得到5個泵機組出口斷面的壓力，根據公式計算得到1＃－5＃泵機組流道的水力損失分別為01223m、01291m、01219m、01391m、02419m。計算結果表明：1＃－3＃泵機組流道的水力損失基本一致，4＃泵機組流道的水力損失稍高，5＃泵機組流道的水力損失表現異常。這與5臺機組同時運行時，5＃泵機組運行不正常的情況相符。

32流道流線分析

在額定流量工況下，進水池內部速度流場如圖3所示。模擬計算結果表明，5＃泵機組前進水池內有一個直徑很大的漩渦，該漩渦幾乎堵住了5＃泵機組的進水，造成該泵機組流道的堵塞，且該漩渦也直接影響了4＃泵機組的進水條件，在進水池中靠近4＃泵機組的流道內也出現了流道堵塞的現象。在5＃泵機組前的大漩渦后，形成了一個反向漩渦，該反向漩渦同時也占用了閘門前的整個流道。這個現象和前文計算的流道水力損失結果相呼應。

4優化模型數值計算

41優化方案

1數值計算針對5＃泵機組前的大漩渦，考慮在進水池內圖3進水池流線圖增加3個“L”形的隔墩整流，隔墩厚度為06m，高度至常內澇水位。具體位置及形狀如圖4所示。該方案求解器的設置與原方案一致。在額定流量12m3／s工況下，1＃－5＃泵機組流道的水力損失分別為01252m、01565m、01257m、01181m、01696m，雖然4＃、5＃泵機組的水力損失有所下降，但2＃泵機組的水力損失卻有所提升。優化方案1流場如圖5所示，可以看出，5＃泵機組進水池內的大漩渦依然存在，僅比原方案的直徑小一點，但該漩渦對4＃泵機組的影響較小。針對以上現象，可以得出以下3點猜測：（1）隔墩在該進水池內一定程度上起到了導流的作用；（2）隔墩過長或者空間位置不對，導致水流分配不均，引起了2＃泵機組水力損失的增加；（3）轉角1處的形狀至關重要，對5＃泵機組進水池內大漩渦的形成起到了關鍵的作用。

42優化方案

2數值計算針對優化方案1得出的猜測，對進水池做出了以下幾點修改：（1）加大倒角2處的圓弧半徑，在倒角1處增添一個圓弧倒角；（2）縮短了隔墩2、隔墩3的長度，并更改了3個隔墩的空間位置，具體的更改情況如圖6所示。該方案求解器的設置與原方案一致。在額定流量12m3／s工況下，1＃－5＃泵機組流道的水力損失分別為01128m、01246m、01255m、01556m、01432m。相較于原方案，優化方案2的5＃泵機組在水力性能上提升了不少，其他4個泵機組的水力損失基本一致。優化方案2的流場如圖7所示，可以看出，水流在倒角1處平滑過渡，但由于該處流道截面較小，導致該處水流速度較快。4＃泵機組水力損失較高，這是由于該機組同時受到從隔墩1和隔墩2處沖出水流的共同作用。5＃泵機組進水池內的大漩渦基本消除，閘門前的漩渦直徑也有所減小。

43優化方案

3數值計算優化方案3在優化方案2的基礎上做出了以下幾點修改：（1）加大倒角1處的圓弧半徑；（2）隔墩1形狀和位置不變，去掉了隔墩3；（3）隔墩2朝隔墩3方向移動了一段距離，并加大了隔墩的圖6優化方案2模型圖7優化方案2流線圖弧度。優化方案3具體的更改情況及與優化方案2的三維模型對比如圖8所示。該方案求解器的設置與原方案一致。在額定流量12m3／s工況下，1＃－5＃泵機組流道的水力損失分別為011m、01298m、01428m、01359m、01355m。相較于其他方案，優化方案3各機組在水力性能上更優。優化方案3的流場如圖9所示，從圖中可以看出，由于增大了轉角1處的半徑，在與隔墩1的共同作用下，水流在該處的轉向表現為有序、平緩，且5＃泵機組進水池內未出現原方案的大漩渦，能給5＃泵機組提供良好的進水條件。隔墩2起到了良好的導流、整流作用。優化方案3的進水池能夠給5臺泵機組提供優異的進水流態，水力性能良好。

5結論

本文以國內某泵站為研究對象，運用數值模擬的方法對已有進水池結構進行了優化設計，得出了以下結論：（1）引起該泵站5＃泵機組功率不正常的原因是側向進水池設計的不合理。進水池缺乏合適的導流措施，從而在5＃泵機組前產生了直徑很大的漩渦，導致出現了流道堵塞等現象。（2）合理設置隔墩的長度、空間位置及數量能夠很好地起到導流、消除漩渦的作用。進水池的設計應該避免出現“急轉角”等不良情況。（3）優化方案3能夠給5臺泵機組提供良好的進水條件。額定流量工況下，相較于原方案，方案3的5＃泵機組在水力損失模擬值上減小了約44％，其他泵機組模擬值與原泵基本一致。

作者:張坤 金雷 汪小峰 李星 單位:合肥恒大江海泵業股份有限公司 安徽省大型潛水電泵裝備技術重點實驗室