探索排澇工程泵站進水流道優化設計

韋理常

精佳建設工程集團有限公司 重慶 九龍坡 400050

0 引言

無論是在舊河道整治還是排澇工程，進水流道參數的優化設計都顯得尤為關鍵。進水流道是泵站前池和水泵葉輪室之前的過渡裝置，是為了保證水流穩定性，提高水力設計質量的基本環節。傳統設計將會影響到葉輪室內水流流態，也可能會導致脫流現象發生，從而影響水泵裝置的使用功能。CFD數值模擬技術適應能力強，例如可選擇不同流動參數進行各種數值的模擬和分析。其不受物理模型和實驗模型的限制，具有較高的靈活性。但是，其也存在一定的使用局限性。本文就分別從進水和出水流道兩個層面，重點對進水流道優化設計和出水流道邊界條件的優化進行探討，旨在為提升水利工程設計質量奠定堅實理論基礎。

1 水利工程進水流道優化設計

按照水利工程《泵站設計規范》的相關規定，要求進水流道的線型結構應該是平滑、平順的，各個流經的斷面也應該是均勻合理的，而我們都知識水體的流速是根據流經斷面的變化而變化的，不同斷面，水流速度是不相同的。例如在彎道，水流由于受到慣力的作用，會與離心力共同作用，導致內流流速高于外側的流速，待水流流經直線斷面時，流速又會進行重新的調整、重新的分布。

在直線上升階段，水流會由于平面方向發生一定程度的擴散，并且流速會出現降低，流速的分布進一步的變化。

在流道的進口部分，如果水流處于彎曲的部分，就會受到慣性影響，因此在直線的上升部分水流的速度比下降部分要快。在駝峰地區，為提高水流挾氣力，降低虹吸時間，可借助優化加速流度，進一步對直線上升部分進行調整。在駝峰入口，要保持斷面部分流速均勻。設計上還要考慮流體通過駝峰斷面，具有離心作用，中下流速比上部高。由于流道下降區，水體的慣性和邊壁之間的聯系是相同的，流道內、外側的水體以較高的速度流動，流速在平緩狀態下變化，很少出現旋渦或脫流。泵站開工后，水流從引渠進入前池，經進水通道到達葉輪室，設計中要考慮邊界情況，分析地點是否適合。進口邊境條件的快速優化適用于無壓縮流體的設計，在設計中要注意速度不會受到影響。

因此，為了避免流體在進口中受到影響，對流體速度的分布進行優化。借助于計算流道邊界的條件，借助于模型對水流道的數值變化，優化了流場進口的斷面，前池要比進水道的入口遠得多。如果流道與水的方向垂直，則可認為流速均勻分布在斷面上，流量計算與進口的邊界相結合，可將進口速度視為邊境條件。為了準確地計算出口邊界，優化時要結合流場，將沿出水方向的進口流道延長，以保證自由流的邊界性得到充分擴大，使自由流的邊境條件得到滿足。

2 出水流道邊界條件優化

針對泵站出水通道，要結合流量變化和壓力的變化。水流通過導葉體的出口旋轉進入水流通道，然后進入出水通道。由于導葉體的出口有斷面壓力，水體流速不均勻，但這個數據很難測出來。為了精確地測定進口的邊境條件，利用流場變化的方法進行優化計算，使出水流道沿逆水流方向在進口部分的斷面上等直徑延長。進口流場斷面可以用距圓管的2倍直徑來計算流道的距離。水流的速度被視為是均勻的分布。計算中的流量是以已知的條件為基礎，計算流場進口的邊界條件，研究是否能夠滿足邊境條件的進口速度。計算水流道流場，出口斷面選擇垂直水流方向，設置于距離出口道水流平穩區域，針對出口水流的方向優化，以保證流動充分的水流，可借助于自由出口邊界條件。針對流場計算，還要將水池的底壁、遠流道和導葉出口邊壁結合起來。邊界處理的依據是固壁定律。對固壁邊界進行處理，是為了保證不受滑動的影響，對固壁部分進行優化。針對固壁節點端流的優化，可采固壁對數函數進行處理。

3 流道的網格計算

水利工程中流道的優化設計可借助網格計算開展，其是建立有限元模型的關鍵，因此在具體的優化設計過程中，要充分的結合有限元模型，對網格進行合理劃分，并且降低對計算精度的影響。在數值計算優化的過程中，要充分的結合數值優化過程，符合進水和出水流道水流數值，借助三維立體軟件，對不同區域采取網格類型，還要結合網格尺寸是否與進水流道流場相互符合。此外，網格的劃分過程中，要對具體的數值收斂情況進行細化，對收斂精度產生的影響進行細致的分析，因此在多次優化后，要進行多方面的綜合比較，確保獲取最為有效的網格。

4 結束語

綜上所述，排澇工程泵站進水流道的優化設計影響因素是多方面的，因此要結合具體的水利工程，開展綜合性分析。首先，需要通過進水流道優化設計，避免流體在進口中受到影響，對流體速度的分布進行優化，建立模型，開展數值動態分析；其次，出水流道邊界條件優化，保證出口道水流平穩；最后應開展流道的網格計算，明確各個參數的計算要求，確保結構設計方案的最優化。