矩形雨水泵站設計及其三維流態(tài)模擬

雨水泵站是城市排水的重要組成部分，承擔保證服務區(qū)域內(nèi)雨水及時排出的任務，泵站內(nèi)部各構(gòu)筑物設計的合理性是保證雨水泵站高效率運行重要環(huán)節(jié)。泵站前池、集水池、出水池的設計得當與否，直接影響水泵的運行狀況，設計不當時，池內(nèi)流速過快流態(tài)紊亂，給水泵帶來不理想的工作環(huán)境，降低了水泵工況從而增加運行成本。

1 工程概況

桃花寺雨水泵站位于天津市北辰區(qū)，南鄰北運河，經(jīng)計算區(qū)域內(nèi)雨水量為17 m3/s，進入泵站前雨水管道管徑為雙排2 800 mm。根據(jù)泵站的進出水位置，泵站設計為“矩形”。

與常見的“酒瓶形”設計相比，“矩形”泵站布局緊湊，進出水在一個構(gòu)筑物內(nèi)完成，泵站內(nèi)部空間得以有效利用；但泵站內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計復雜，故在設計過程中既要保證泵站內(nèi)水流是穩(wěn)流狀態(tài)，也要滿足泵站結(jié)構(gòu)要求。

2 方案設計

據(jù)泵站選址與北運河的位置關系，地上建筑面積≯300 m2，采用合建式泵站，即變配電室位于泵站上方，見圖1。合建式泵站布置緊湊、占地少、管理方便。

圖1 泵站總平面布置

工藝流程：4排DN2 400 mm進水管→進水閘井→格柵井→集水池（經(jīng)泵提升）→壓力出水池→高位出水閘井→雙排3.5 m×3 m方涵出水→八字出水口排入北運河，見圖2。

圖2 基本工藝流程

1）格柵共4臺，通過流速為0.88 m/s。

2）集水池。為保證水泵具有良好的吸水條件，要求集水池中的水流平穩(wěn)，即流速分布均勻，否則不僅會降低水泵的效率，也會因水泵汽蝕給機組帶來擾動而無法正常工作[1]。

泵站集水池采用隔墻分為4個流道，每個流道放置兩臺水泵，根據(jù)水泵安裝間距，確定流道的長度和寬度，在出水池兩側(cè)的流道隔墻分別預留2 400 mm×2 400 mm方形孔洞并設2套2 400 mm×2 400 mm鑄鐵鑲銅方形閘門，正常情況下閘門是關閉的，必要時提起，保證泵站內(nèi)部流道的既獨立又統(tǒng)一。集水池擴散角為8°和13°，此時，水泵吸水喇叭口前流速經(jīng)過逐步控制已經(jīng)接近0.6 m/s。

水泵采用潛水軸流泵，根據(jù)服務區(qū)域內(nèi)地塊開發(fā)的時序性，近期水量約為3.5 m3/s，根據(jù)近遠期相結(jié)合、大小泵搭配的原則，共采用8臺潛水軸流泵：6臺大泵，單機流量2.4 m3/s；2臺小泵，單機流量1.2 m3/s。

集水池最高水位取進水管道滿流時的水位，為-2.200 m；最低水位大于水泵淹沒水深，為-4.800 m（大泵）、-5.600 m（小泵）。

3）出水池。主要起消能穩(wěn)流作用，因此要求池內(nèi)水流順暢、穩(wěn)定且水利損失小，這樣才能消減出水流道或出水管道出流的余能，使水流平順而均勻地流入渠道或承泄區(qū)，以免造成沖刷[2]。

本項目為前置式壓力出水池正向出水，后經(jīng)高位水池泄壓以重力流方式用雙排3 000 mm×3 500 mm方涵排到北運河，排出口處流速為0.80 m/s，見圖3。

圖3 泵站出水層剖面

3 三維流場的模擬試驗（FLUENT軟件模擬）

GB 50014—2006《室外排水設計規(guī)范》（2016年版）：水量＞15 m3/s泵站宜通過水力模型試驗確定進水布置形式。結(jié)合計算流體力學軟件FLUENT，對雨水泵站進水流態(tài)的特點建立三維湍流模型，進行網(wǎng)格劃分，選取適當湍流模型和數(shù)模收斂方法進行數(shù)模計算，建立相應的優(yōu)化目標函數(shù)。

根據(jù)流體流動的特點，應用數(shù)值計算方法對泵站進出水流道的流場進行理論分析，關鍵是復雜的邊界條件以及邊界層流動作用、流動分離等對流道內(nèi)流動狀態(tài)有關鍵影響的流場結(jié)構(gòu)的建立[3～4]。

3.1 進水流道三維流態(tài)計算

按照高水位-2.200 m進行FLUENT軟件計算，見圖4。模擬的流速分布與設計時計算的流速是基本吻合的，水流從閘門井經(jīng)格柵井至集水池，流速呈逐級遞減的趨勢，沒有出現(xiàn)流速突變的現(xiàn)象，表明泵站進水區(qū)工藝設計是合理的。

圖4 泵站進水流道流速分布

3.2 泵站出水流道三維流態(tài)計算

桃花寺雨水泵站出水流到計算結(jié)果見圖5。FLUENT軟件模擬的流速分布與設計時計算的流速是基本吻合的，雨水經(jīng)水泵提升，水流在水泵出水口拍門處流速最大，隨著水漸向出水池擴散，流速逐漸降低，表明泵站的出水池工藝設計是合理的。

圖5 泵站出水流道流速分布

4 結(jié)論

矩形雨水泵站從進水到提升后出水均在一個構(gòu)筑物內(nèi)完成且壓力出水池位于集水池上方，充分利用了泵站內(nèi)的空間，使泵站內(nèi)部布局更加緊湊，水頭損失小；利用FLUENT軟件模擬泵站運行時流態(tài)，各個節(jié)點的運行流速是符合設計流速的，證明了設計中工藝尺寸是合理的。

5 建議

泵站運行的工況是復雜多變、不能預料的，而且隨著泵站使用年限的增長，會出現(xiàn)在運行使用中帶來新問題：泵站內(nèi)部會有一定沉砂的積累，水泵的效率下降等。這些都會影響到流道的水流條件；因此，雨水泵站設計的流態(tài)模擬還可以繼續(xù)延伸至桃花寺雨水泵站運行。