泵站進水池構筑物布置形式對水流的影響

顏紅勤，陳松山

(1.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇南京 210029;2.揚州大學能源與動力工程學院，江蘇揚州 225009)

泵站進水池構筑物布置形式對水流的影響

顏紅勤1，陳松山2

(1.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇南京 210029;2.揚州大學能源與動力工程學院，江蘇揚州 225009)

為分析泵站進水池中構筑物布置對水流的影響，采用CFD技術模擬計算了進水池中不同構筑物布置形式的水體流動狀態。計算結果表明:在進水管兩側設置水泵梁，對進水池流態及喇叭口出口水力性能基本無影響;進水側水泵梁改為檢修平臺，平臺下方出現橫軸漩渦，喇叭口出口水力性能略有降低;進水管后側設置檢修平臺，切斷了進水池表面及兩側近壁區水體進入喇叭口的通道，出口水力性能降低;在池內設置檢修胸墻，改變了表面水體流動方式，造成喇叭口單向進水，出口水力性能下降明顯;同時設置檢修胸墻及進水管后側檢修平臺，池內水流紊亂，喇叭口單向進水，出口水力性能最差。因此，除水泵梁外，進水池中應避免設置其他構筑物。

泵站;進水池;構筑物;流態;水力性能;數值模擬

開敞式進水池是中、小型立式軸(混)流泵站中最常見的進水池，主要作用是調整水流，為水泵提供良好的進水條件。陸林廣等［1］從理論上給出了進水池及喇叭管的最佳水力設計準則;孫衣春等［2］分析了不同形狀進水池的水力性能;劉超等［3］提出了進水池設計的控制尺寸，成立等［4］指出采用ω形后壁體可使進水池流態、水力性能得到明顯改善。開敞式進水池的寬度、長度、水泵吸水喇叭管的淹沒水深、懸空高、后壁距等控制性尺寸在有關規范［5］或技術書籍［6-7］中均有明確表述，且經實踐證明也是合適可行的。在具體工程設計中，有時會在進水池中增加部分構筑物，以便于安裝和檢修設備。這些構筑物設置后，對進水池流態及水泵喇叭口出口(即葉輪室進口)水力性能的影響，尚未見相關研究分析。采用CFD(computational fluid dynamics)技術分析進水池、泵裝置流態已成為普遍采用手段之一［8-9］，為此，本文針對實際工程中存在的不同構筑物布置形式，利用CFD技術對開敞式進水池水流進行三維數值模擬計算，分析不同構筑物布置形式對進水池流態及喇叭口出口水力性能的影響，提出構筑物布置的合理形式，供工程設計參考。

1 構筑物布置及計算方案

通常開敞式進水池平面形狀為矩形，后壁多為ω形，以改善水泵進水條件。水泵和吸水管置于池中，水泵安裝于鋼筋混凝土水泵梁上，如圖1(a)所示。實際工程中，為便于設備安裝、檢修，部分泵站將水泵梁加寬構筑成檢修平臺(圖1(b)(c))，還有的在進水池進口處設置擋水胸墻(圖1(d)(e))，以降低檢修門高度。計算中將圖1(a)～(e)分別定義為方案1～5，為便于比較，將進水池中僅有進水管的布置形式定義為方案0。

圖1 進水池各種構筑物布置形式

2 數值模擬分析模型

2.1 控制方程與計算方法

開敞式進水池內水流處于復雜的三維紊流狀態，本文采用基于不可壓縮流體的連續性方程和定常時均雷諾方程(RANS方程)，以及基于渦團黏性假設的標準k－ε紊流模型方程［10］，利用Fluent軟件進行流場計算。控制方程采用控制體積法離散(其中擴散項采用中心差分，對流項采用二階迎風格式)，半隱式壓力耦合算法(SIMPLE算法)求解。網格劃分采用適應性較強的四面體網格，喇叭口部位網格局部加密，共劃分為120萬個網格單元。

2.2 計算物理區域

以某900ZLB型立式軸流泵站(圖2)為研究對象，該站進水池寬3.0 m，水深3.5 m，水泵中心線距進水池進口8.0 m，進水喇叭管懸空高0.8 m，喇叭管進口內徑1.25 m，出口內徑0.82 m，后壁為ω形，高度與水面齊平，后壁距為1.25 m。計算物理區域包括開敞式進水池(含ω形后壁)、水泵吸水喇叭管、進水管以及進水池內水泵梁、檢修平臺、胸墻等。為研究喇叭管出口，即水泵葉輪室進口的流態，將喇叭管出口適當延長(不含水泵葉輪)。對圖1所示的各方案分別進行三維實體造型，限于篇幅，本文僅給出方案1的三維實體造形，如圖3所示。

圖2 典型泵站示意圖(單位:m)

圖3 方案1三維實體造形

2.3 邊界條件

a.進口條件。采用速度進口條件，計算進口設在進水池進口，來流均勻分布，各節點流速相等，結合該水泵的設計流量，計算中進口流速采用0.3 m/s。進口紊動能k和紊動耗散率ε由式(1)［11］給出:

式中:v為進口平均流速;D為進口當量直徑。

b.出口邊界。流場出口設置在喇叭管出口延伸較遠處，該斷面為充分發展的湍流，滿足二類邊界條件，按出口斷面外法線方向梯度為零的出流條件給定。

c.固壁條件。進水池邊壁、底部及水泵喇叭管采用固定壁面，近壁區域采用標準的壁面函數。

d.自由水面。自由水面采用對稱邊界條件。

3 水力性能評價指標

進水池是安裝水泵進水管的建筑物，一般要求進水池水力設計應滿足兩個條件［1］:一是池內水流平順，水力損失小，無有害漩渦產生，保證水泵機組不產生性能惡化和機械振動;二是水泵葉輪室進口斷面速度分布均勻且垂直于該斷面，保證水泵裝置達到其最佳運行狀況。為此除進水池內流態分布外，以進水池進口至喇叭管出口間水力損失Δh、喇叭管出口速度分布均勻度Vu和速度加權平均角度作為各方案水力性能優劣的判斷指標，計算公式為

式中:E1、E2分別為進水池進口、喇叭管出口斷面處總能量;為出口斷面的平均軸向流速;uai為斷面各單元的軸向流速;uti為斷面各單元的橫向流速;m為喇叭口出口流場數值計算時所劃分的單元個數。

4 數值模擬結果與分析

4.1 進水池流態

為直觀顯示各方案內部流場，圖4給出了各方案進水池流態分布。圖5和圖6分別為從進水池后壁、底部所觀察到的喇叭口附近流態。由圖4～6可見:

圖4 各方案流場跡線(正視)

圖5 各方案喇叭口流場跡線(左視)

圖6 各方案喇叭口流場跡線(仰視)

a.方案0中，進水池水流平順，無不良流態，表面及進水池兩側近壁處水體繞過進水管從后半段進入管中，中下部水體從喇叭口前半段進入;從下方看，喇叭口呈四面進水狀態，ω形后壁與流線形狀基本吻合。

b.方案1增加水泵梁后，除水泵梁后局部出現較小的橫軸漩渦外，進水池基本無其他不良流態，表面及進水池兩側近壁處水體繞過進水管從后半段進入管中，中下部水體基本從喇叭口前半段進入;從下方看，喇叭口呈四面進水狀態，ω形后壁與流線形狀亦基本吻合。

c.方案2將進水側水泵梁加寬形成檢修平臺后，在平臺下方及水泵梁后出現橫軸漩渦，漩渦下部距喇叭口較近，有造成喇叭口進水不穩定的可能;表面及進水池兩側近壁處水體仍可繞過進水管從后半段進入管中;從下方看，喇叭口仍呈四面進水狀態，ω形后壁與流線形狀基本吻合。

d.方案3在方案2的基礎上，在進水管后側也設置了檢修平臺，除進水側平臺下出現橫向漩渦外，表面及兩側近壁水體受后側平臺阻擋，從平臺上方沿ω形后壁、螺旋狀從進水管兩側向下，進入平臺下方ω形后壁體后再進入喇叭管，水流紊亂;而且從下方看，喇叭口以三向進水為主，后側少量進水。

e.方案4在方案1的基礎上增設檢修胸墻，受胸墻豎向擠壓影響，表面中部水體只能與下層水體一道從進水管前半部進入喇叭口，表面兩側及近壁區水體繞至進水管后，從胸墻后回流進喇叭口，胸墻后形成較大尺度的回流區;從下方看，喇叭口呈單向進水狀態。

f.方案5在方案3的基礎上設檢修胸墻，受檢修胸墻及平臺的共同作用，胸墻后部、檢修平臺上方形成較大的死水區，池內水體只能從進水管前半部進入喇叭口，表面及兩側近壁水體繞至進水管后側平臺下方，以螺旋狀進入喇叭口，水流紊亂;從下方看，喇叭口呈單向進水狀態。

通過上述流態比較分析不難發現，安裝泵體的水泵梁，除梁后出現的少量橫軸漩渦外，對進水池流態基本無影響。在進水管進水側設置檢修平臺后，在其下方形成的橫軸漩渦有進入喇叭口的可能，對喇叭口進水方式有一定影響。進水管后側設置的檢修平臺切斷了進水池表面及兩側近壁區水體進入喇叭口的通道，設置豎向檢修胸墻改變了表面水體流動方式，造成喇叭口單向進水，對泵裝置穩定運行不利。

4.2 喇叭口出口水力性能

將各方案的Δh、Vu和的計算結果列于表1。對照方案0，在進水池中布置水泵梁、檢修平臺、檢修胸墻均會增加進水池水力損失，降低Vu和θ，豎向構筑物較水平向構筑物影響更甚。

表1 各方案喇叭口出口水力性能參數

從各參數的變化可以發現，方案1中的水泵梁或方案2的進水側檢修平臺，Δh基本不變，Vu及略有降低;方案3中進水管后側檢修平臺的設置，Δh增加明顯，Vu及θ降低;方案4在進水側設置檢修胸墻，方案5同時設置檢修平臺及胸墻，Δh繼續增加，Vu及θ較方案0降低明顯。

5 結語

通過5種進水池構筑物布置形式的CFD模擬計算可知，在開敞式進水池中進水管兩側設置水泵梁，對進水池流態及喇叭口出口水力性能基本無影響;進水側水泵梁延伸形成檢修平臺后，平臺下方出現的橫軸漩渦距喇叭口較近，有造成喇叭口進水不穩定的可能，喇叭口出口水力性能略有降低;進水管后側設置檢修平臺，切斷了進水池表面及兩側近壁區水體進入喇叭口的通道，喇叭口出口水力性能降低;在池內設置檢修胸墻，改變了表面水體流動方式，造成喇叭口單向進水，喇叭口出口水力性能下降明顯;同時設置檢修胸墻及進水管后側檢修平臺，池內水流紊亂，喇叭口單向進水，喇叭口出口水力性能最差。為此，開敞式進水池中除布置必要的水泵梁外，應盡量避免出現檢修平臺，特別是進水管后側的檢修平臺和池首的檢修胸墻，以確保機組穩定運行。

本研究成果主要以數值模擬分析為主，擬結合相關課題研究，進行水工物理模型試驗，以進一步驗證分析成果。

［1］陸林廣，曹志高，周濟人.開敞式進水池優化水力計算［J］.水利學報，1997，3(3):16-25.(LU Linguang，CAO Zhigao，ZHOU Jiren.The optimum hydraulic design of pump intakes［J］.Journal of Hydraulic，1997，3(3):16-25.(in Chinese))

［2］孫衣春，魏文禮，李超.進水池平面形狀對其水力性能影響的數值分析［J］.黑龍江水利科技，2008，36(1):1-3.(SUN Yichun，WEI Wenli，LI Chao.Sump shape on its hydraulic performance numerical analysis［J］.Helongjiang Science and Teclnology of Water Conservancy，2008，36(1):1-3.(in Chinese))

［3］劉超，成立，湯方平，等.水泵站開敞進水池三維紊流數值模擬［J］.農業機械學報，2002，33(6):53-55.(LIU Cao，CHENG Li，TANG Fangping，etal.Numerical simulation of three-dimensional turbulent flow for opening pump sump［J］.Journal of Agricultural Machinery，2002，33(6):53-55.(in Chinese))

［4］成立，劉超.基于CFD技術的泵站進水池水力性能研究［J］.河海大學學報:自然科學版，2009，37(1):52-56.(CHENG Li，LIU Cao.Hydraulic performance of pump sumps based on CFD approach［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2009，37(1):52-56.(in Chinese))

［5］GB 50265—2010 泵站設計規范［S］.

［6］嚴登豐.泵站工程［M］.北京:水利水電出版社，2005:85-91.

［7］儲訓，劉復新.中小型泵站設計與改造技術［M］.南京:河海大學出版社，2001:118-135.

［8］顏紅勤，陳松山，葛強，等.鐘形進水流道試驗及數值模擬［J］.排灌機械，2007，25(5):55-60.(YAN Hongqin，CHEN Songshan，GE Qiang，et al.Hydraulic experiment and numerical simulation of campaniform inlet duct［J］.Drainage and Irrigation Machinery，2007，25(5):55-60.(in Chinese))

［9］李彥軍，顏紅勤，葛強，等.大型低揚程泵裝置優化設計與試驗［J］.農業工程學報，2010，26(9):144-148.(LI Yanjun，YAN Hongqin，GE Qiang，etal.Optimum hydraulic design and model test of large-scale low-lift pumd devices［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2010，26(9):144-148.(in Chinese))

［10］陸林廣，張仁田.泵站進水流道優化設計［M］.北京:中國水利水電出版社，1997:20-21.

［11］陶文銓.數值傳熱學［M］.2版.西安:西安交通大學出版社，2001:400-408.

Effect of structural patterns in sump of pumping stations on flows

YAN Hongqin1，CHEN Songshan2(1.Hydraulic Engineering Science and Technology Consultation Limited Company of Jiangsu Province，Nanjing210029，China;2.School of Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou225009，China)

In order to analyze the effect of the structural layout in the sump of pumping stations，CFD technology was employed to simulate the flow regimes in the sump with different structural patterns.The simulated results show that the pump beams set at both sides of the inlet pipe basically have no effect on the flow regime in the sump and the hydraulic performance in the outlet of the trumpet mouth.When the pump beams at the side of the inlet pipe are changed to a maintenance platform，a horizontal vortex appears below the platform，and the hydraulic performance in the outlet of the trumpet mouth slightly decreases.When the maintenance platform is set behind the inlet pipe，the channel for the water at the sump surface and near-wall regions flowing into the trumpet mouth is cut off，and the hydraulic performance at the outlet decreases.When the maintenance breast wall is set in the sump，the flowing patterns of the surface water are changed，leading to one-way flows into the trumpet mouth，and the hydraulic performance at the outlet obviously decreases.When the maintenance breast wall in the sump and the maintenance platform behind the inlet pipe are simultaneously set，the flows in the sump are turbulent and result in one-way flows into the trumpet mouth，and the hydraulic performance at the outlet is worst.Therefore，except for the pump beams，other structures should not be set in the sump.

pumping station;sump;structure;flow regime;hydraulic performance;numerical simulation

TV131.4;TV675

A

1006-7647(2013)02-0055-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.012

江蘇省水利科技重點項目(2009014)

顏紅勤(1973—)，男，江蘇姜堰人，高級工程師，碩士，主要從事泵站工程技術咨詢工作。E-mail:yanhq2003@yahoo.com.cn

2012-06-08 編輯:熊水斌)