大型泵站進出水流態優化與方案優選

劉永剛，李學德，華 臻，吳 政

(1.江陰市長涇水利農機管理服務站，江蘇 江陰 214400； 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；3.江陰市水利工程公司，江蘇 江陰 214400； 4.江陰市新橋水利農機管理服務站，江蘇 江陰 214400)

1 工程背景

某新建大型泵站(三站)單向引水泵站，設計流量為340 m3/s，選用8臺立式混流泵機組(7用1備)，單機設計流量為48.6 m3/s，主水泵葉輪直徑3 800 mm，配7 000 kW立式電機8臺套，總裝機容量56 000 kW。包括主站身、下游清污機橋、上游鐵路橋下防護等。主站身與徐宿淮鹽高鐵橋之間距離為560 m，與下游清污機橋距離為56 m。泵站等級規模為大(Ⅰ)型，主要建筑物等級為1級。

三站可研階段設計兩工程布置方案參考比較。方案一：在現有睢寧二站西側新建睢寧三站，三站中心線與二站中心線夾角約為43°，兩站站身之間的距離約為170 m，泵站與徐宿淮鹽高鐵橋距離約為560 m；泵站采用90°側向進水、約50°角側向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，工程位置見圖1。方案二：在現有二站西側新建三站，三站中心線與二站中心線平行，兩站中心線之間的距離約為170 m，泵站與徐宿淮鹽高鐵橋距離約為570 m；泵站采用正向進水、90°角側向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，工程位置見圖2。

方案一泵站進水側與引河正交，方案二泵站進水側與引河成一定角度斜交，方案二泵站進水條件基于工程經驗下優于方案一。方案一、方案二泵站出水條件僅評工程經驗難以評價各方案出水條件。綜上所述，為了提高泵站水泵機組效率，防止出現泵站進出水出現大尺度漩渦等不良流態，故該泵站可研設計方案采用CFD數值模擬評價方案一、方案二泵站進出水條件的優劣。

2 相關規定綜述

為保證水流流向泵站機組的過程中能夠平順擴散，為泵站機組提供良好的流態，泵站進水一般采用正向進水；當泵站進水為側向進水或者斜向進水需要采取工程措施[1]。泵站出水水流要平順穩定，流速一般不超過2 m/s，在水流匯集過程中不發生劇烈碰撞及水面雍高等現象，滿足防沖穩流的要求，不能影響其他水工建筑物正常運行，必要時采取相關整流措施進行水力優化[2-5]。

3 數學模型

根據可研方案布置，該站主要總體布置為引渠、進水池、站身、出水池。

泵站引渠：三站與二站共用引渠，需擴挖原二站站下引渠。由于場地位置的限制，新建睢寧三站進水直線段長度僅為200 m，故需降低引渠流速來優化泵站進水流態，最低運行水位工況下流速約為0.53 m/s。

泵站進水池：緊靠主泵房站下布置，采用兩側直立墻結合鋼筋混凝土護底防護，與泵站站身等寬，墻后采用1∶3邊坡至地面高程23.00 m。

泵站出水池：受泵站主站身北側約500 m徐宿淮鹽高鐵橋限制，泵站出水池及出水渠均采用直立墻擋墻結構型式與徐宿淮鹽高鐵橋橋下出水渠銜接，東側出水池與二站出水池西側新建雙排灌注樁墻銜接。

根據可研方案中泵站工程建筑物及河道布置情況，按照1∶1(單位：m)比例，建立水流三維數學模型，其中進水引渠長度大于5倍水面寬，滿足規范要求。

4 計算設置

4.1 控制方程

該泵站工程水流流動區域三維數值模擬采用三維雷諾時均N-S方程來描述其不可壓縮湍流流動，方程式如下:

連續性方程：

雷諾時均N-S方程：

式中：ρ為流體密度；t為時間；ui(i=x，y，z)速度沿i方向的分量；p為壓力；v為流體的運動黏性系數。

4.2 可實現k-e模型方程

計算湍流模型選擇realizable k-e方程，對于旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強流線彎曲、漩渦和旋轉、二次流有很好的表現。

4.3 邊界條件設置

進口設置為速度進口；出口設置為自由出流，水流與空氣接觸面為剛蓋假定，其余壁面均設為無滑移壁面條件，設定參考大氣壓力為1 atm。所有邊壁均設為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 泵站進出水水流流場分析

計算工況采用徐洪河設計輸水水位，泵站上游水位21.63 m，下游水位13.03 m，泵站設計流量340 m3/s。

5.1 方案一計算結果

進水側：當引河下游閘門關閉，泵站為側向進水，引河彎道水流以較大彎道曲率形式進入進水池，彎道水流外側出現大尺度回流和死水區，回流流速范圍0.1～0.2 m/s，死水區流速范圍0～0.1 m/s；彎道內側出現小范圍回流，回流流速范圍0.1～0.45 m/s之間，彎道主流流速0.5 m/s左右，最大流速0.7 m/s以上。水流流態、流速分布具體詳見圖3、圖4。

圖3 方案一泵站進水流態分布云圖

圖4 方案一泵站進水流速分布云圖

出水側：泵站出水側與一站、二站共用較大面域出水池，泵站出水流態平順，無不良流態，3個站單獨運行出水池不出現大尺度漩渦。泵站出水池主流流速0.4 m/s左右，最大主流0.7 m/s左右，對出水池兩岸不造成嚴重水流沖刷。綜上，該泵站出水池設計合理，水流平順，流速分布較為均勻，水流流態、流速分布具體詳見圖5、圖6。

圖5 方案一泵站出水流態分布云圖

圖6 方案一泵站出水流速分布云圖

5.2 方案二計算結果

進水側：當引河下游閘門關閉，泵站為側向進水，引河彎道水流以較小彎道曲率形式進入進水池，彎道水流外側出現大尺度回流和死水區，回流流速范圍0.1～0.2 m/s，死水區流速范圍0～0.1 m/s；彎道主流流速0.55 m/s左右，彎道內流態平順，流速分布均勻；水流流態、流速分布具體詳見圖7、圖8。

出水側：泵站出水右側大弧度岸墻形成大面域出水池，泵站出水水流形成彎道水流，主流流速0.4 m/s左右，在一站、二站不開機情況下出水池中會形成大尺度漩渦。該泵站出水池土方開挖量大，投資高，另外3個泵站單獨運行時會在池中形成大尺度漩渦等不良流態。水流流態、流速分布具體詳見圖9、圖10。

圖7 方案二泵站進水流態分布云圖

圖8 方案二泵站進水流速分布云圖

5.3 方案優化

方案一泵站側向進水，進水時彎道水流曲率大，彎道內側出現小范圍回流；方案二泵站正向進水，進水時彎道水流曲率小，彎道內流態平順，流速分布均勻。方案一泵站出水流態平順，無不良流態，3個站單獨運行出水池不出現大尺度漩渦針；方案二泵站泵站出水水流形成彎道水流，3個泵站單獨運行時會在池中形成大尺度漩渦等不良流態，且該出水池土方開挖量大，投資高。針對方案一、方案二泵站進出水的優缺點，將各方案優點結合形成方案三。方案三泵站采用正向進水、約50°角側向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，形成最終可研方案。方案三平面布置詳見圖11。

圖9 方案二泵站出水流態分布云圖

圖10 方案二泵站出水流速分布云圖

圖11 方案三

6 結 語

通過數值模擬分析了該泵站各方案進出水水流流態、流速分布情況，指出各方案的優缺點，并結合各方案優點形成最終可研方案，結論如下：

1) 方案一泵站側向進水，進水時彎道水流曲率大，彎道內側出現小范圍回流；方案二泵站正向進水，進水時彎道水流曲率小，彎道內流態平順，流速分布均勻。

2) 方案一泵站出水流態平順，無不良流態，3個站單獨運行出水池不出現大尺度漩渦針；方案二泵站出水水流形成彎道水流，3個泵站單獨運行時會在池中形成大尺度漩渦等不良流態，且該出水池土方開挖量大，投資高。

3) 針對方案一、方案二泵站進出水的優缺點，將各方案優點結合形成方案三。方案三泵站采用正向進水、約50°角側向出水與徐宿淮鹽高鐵橋下過水孔銜接，形成最終可研方案。