泵站前池和開敞式進水流道的數值優化

付建國，李 寧

(江西水利職業學院，330013，南昌)

0 引言

前池和進水流道屬于泵站的重要組成部分，建在泵站的前部，使進水口的水流變得柔滑平順，給泵站提供良好的取水條件，改善泵站的進水流態。當前池和進水流道的設計有不合理的地方時，往往會出現水流紊亂、不良流態以及產生渦旋的現象，使得流入水泵的流量和流態受到影響，降低泵站的使用效率，嚴重時還可能使泵站偏工況運行，這對泵站的高效、穩定、安全運行是一個極大的威脅，故在設計階段有必要對泵站前池和進水流道進行預測、研究和必要的優化。

相關學者對泵站前池及開敞式進水流道進行了研究，孫眾[1]等通過ANSYS流體仿真軟件，運用 CFX求解器對側向進水結構內的流場進行了數值模擬，揭示了泵站側向進水結構內不穩定流場的機理。楊慶勝[2-4]等對不同工況下的泵站前池流場進行了仿真計算，并進行了水工模型試驗對比驗證，在改善流態的同時，發現驗證CFD對前池數值模擬有著很高的可信度。

陸偉剛、馮建剛[5-10]等人為改善泵站前池流態、優化水泵進水條件，基于計算流體力學分析底坎、導流墩等不同幾何參數、不同布置形式下的整流措施對前池流態的影響，改善了進水流態，提高了泵站運行穩定性。趙智磊[11-12]等通過改變泵站進水河道中心線和泵站進水池中心軸線的夾角、調整進水前池斜坡坡度等方式對壓力前池流態進行分析后確定出最優的設計方案。羅燦、徐存東[13-14]等基于k-ε湍流模型，用CFD軟件對泵站前池進行了數值模擬，并進行了合理的整流優化方案，有效地改善了泵站進水前池的水流流態。

在前人研究基礎上，本文以某泵站前池和進水流道為研究對象，對其進行優化設計，在SolidWorks軟件中建立前池和進水流道參數化模型，應用CFX對研究模型進行數值計算和優化。優化過程按照先局部后整體的優化思路，先優化前池進水流道坡度，然后通過改變前池進水流道的寬度進行優化，并引入綜合性能指標λ概念，分析比較不同方案的前池進水流道的三維湍流流動和水力性能，得到最優方案，從而為泵站提供良好的進水條件。

1 泵站前池工程概況

泵站單機組設計流量4.6 m3/s，配套電機為250 kW-16P，泵站設計揚程為2.5 m，水泵葉輪直徑初定為1 200 mm，單機功率135.3 kW，電機轉速365 r/min。泵站采用開敞式進水流道作為進水進行設計。

2 三維建模及網格剖分

2.1 計算模型

泵站前池和開敞式進水流道是影響泵站整體流態的關鍵因素。本文采用SolidWorks軟件對泵站前池進水流道中的水體進行建模，之后導入ANSYS軟件的DM模塊進行調整，圖1中B為池寬，i為坡度，b為后壁距。

圖1 泵站前池和開敞式進水流道參數圖

圖2 泵站前池和開敞式進水流道計算模型圖

2.2 網格劃分

前池和進水流道三維模型的網格劃分在ANSYS ICEM軟件下實現。采用結構化六面體網格，對邊界層及局部進行加密處理。網格節點數為543 678，網格數為510 840，網格質量超過0.3，如圖3所示。

圖3 泵站前池結構化網格

2.3 邊界條件與控制方程

導入進水流道的網格模型到CFX-Pre中，如圖4所示。

圖4 前池進水流道運行示意圖

前池和進水流道進口設置為質量流量進口，優化設計時，設計工況，3 m寬進口流量設置為4.6 tonne/s，6 m寬進口流量設置為9.2 tonne/s，出口斷面采用平均靜壓出口，出口壓力設置為1 atm。前池和進水流道的水面設置為自由液面，壁面設置為靜止壁面，應用無滑移條件，近壁區采用標準壁面函數邊界條件，其表面取無滑移壁面[15]。計算時收斂條件設置的殘差值為10e-5，同時監控泵裝置的進出口斷面的壓力增量穩定為止。

2.4 計算公式

2.4.1 前池和進水流道水力損失預測 根據伯努利能量方程，引入水力損失hf的概念，前池和進水流道的水力損失hf由流速場和壓力場來預測，計算公式為：

(1)

式中：E1、E2為流道進、出口處的總能量；p1、p2為流道進、出口處的靜壓(Pa)；Z1、Z2為流道進、出口的高度(m)；u1、u2為流道進、出口水流速度(m/s)；ρ為水流密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)。

2.4.2 出口斷面軸向流速分布均勻度預測 進水結構在設計時，除滿足水力損失要求的同時，其進水條件還應盡可能滿足均勻的流速分布和壓力分布。進水結構的出口緊接泵閘的進口，其軸向速度分布均勻度Vu反映了進水流道設計的優劣，Vu值越接近100 %，表明進水結構出口水流的軸向流速分布越均勻，進入泵閘的水流越均勻同向，計算公式如下：

(2)

式中：Vu為流道出口斷面軸向流速分布均勻度(%)；va為流道出口斷面軸向流速算術平均值(m/s)；vai為流道出口斷面各計算單元的軸向速度(m/s)；n為出口斷面上的計算單元個數。

2.4.3 優化后的綜合性能指標 為了比較優化后前池和開敞式進水流道的綜合性能，引入綜合性能指標λ概念，對進水結構水力損失hf和出口斷面軸向流速分布均勻度Vu進行綜合考慮，分別與原方案比較。由于流道出口斷面軸向流速分布均勻度Vu對流態影響較大，取權重占比0.7，進水結構水力損失hf取占比0.3。

(3)

式中：λ為優化后前池進水流道綜合性能指標(%)；hfy為原流道的水力損失(m)；Vuy為原流道的出口斷面軸向流速分布均勻度(%)。

3 原流道數值計算結果分析

在經過計算后可以得到原流道的各特性如圖5所示。

由壁面靜壓力分布云圖可以看出在原流道的出口處的壓力最大，壁面壓力在坡道起始位置壓力最小，這一塊需要進行加固處理，防止發生空蝕破壞。由截面靜壓分布云圖可以得到，低壓區在順水流方向上不斷變動，因為低壓是旋渦產生的原因，這就意味著旋渦在各斷面不斷地變化，低壓區逐漸向池底靠近，主流偏向一側。

由流線圖中可以看到，在進口處以及中間段的流線平順，但在底坡到出口的部分流線比較紊亂，這將會使出口處產生不良流態，應予以改善。從渦旋圖可以看到在流道出口前區域產生了較多的渦旋，這進一步說明了出口的水流流態產生破壞，使得流出的水流比較混亂。

綜上所述，原流道流態較差，產生了大量的旋渦，因此有必要進行優化，以優化流態，減小水能損失。

4 前池和開敞式進水流道優化

4.1 前池和開敞式進水流道優化方案

通過對原始方案前池和開敞式進水流道進行初步數值計算，發現前池進水流道在前半部逐漸收縮，流態較好，但在靠近進水流道出口處，因底坡的存在，形成了渦旋，為防止渦旋的形成，考慮減小前池底部坡度，將底部坡度和流道總寬度作為控制參數進行優化，表1為前池進水流道模型8個優化控制方案，其示意見圖6所示，以前述水力損失hf及軸向速度分布均勻度Vu為優化的目標函數，開展前池進水流道的優化。設計參數的優化是在參數可變區間內，采用控制變量法，在Solidworks軟件中建立參數化建模，在ANSYS Workbench中進行網格的更新和數值計算，具體優化方案見列表1所示。

表1 前池和開敞式進水流道模型優化方案表

圖6 優化方案示意圖

4.2 前池和開敞式進水流道優化結果分析

將各個方案的進水結構水力損失hf、出口流速均勻度Vu和綜合性能指標λ整理如圖7～圖9所示。

圖7 進水結構各數值優化方案水力損失結果

圖8 進水結構各數值優化方案出口流速均勻度結果

圖9 進水結構各數值優化方案綜合性能結果

通過進水結構各數值優化方案水力損失結果可以看出，原始方案P0水力損失0.003 5 m為最大，優化方案P6水力損失0.001 5 m為最小，優化方案P7水力損失介于二者之間，但是最大水力損失和最小水力損失差值較小，對最終的優化結果影響稍小。通過進水結構各數值優化方案出口流速均勻度結果可以看出，原始方案P0出口流速均勻度最低為38.62 %，優化方案P7出口流速均勻度最大為74.94 %，因出口流速均勻度對泵站的水力性能影響大，故而其在綜合性能的比重較大。通過進水結構各數值優化方案綜合性能結果可以看出，各優化方案均比原始方案P0較好，優化方案P7最優，更適合泵站的運行。本文列出P7方案各特性圖做進一步分析，優化結果流態如圖10所示。

(a)P7壁面壓力分布云圖 (b)P7各截面靜壓分布云圖

通過對比P1～P8進水結構的壁面壓力分布云圖，大部分優化方案進水結構前段壓力分布均勻，但是在坡度起始端均存在細長的線性低壓區，低壓區的存在容易導致該區域產生空蝕現象，其中P6、P7方案低壓區較小，對流態的影響最小。P2、P4在進水結構前、中段和進水結構出口處到底坡區域均存在壓力梯度分布不均勻的現象，其余方案壓力梯度遞變均勻。因此，當進水結構的寬度發生改變，會使得部分坡下壓力分布紊亂，造成出口處的壓力分布不均。

對比P1～P8進水結構的截面壓力分布圖可知，進水結構前段截面壓力從上而下逐漸遞增，壓力分布均勻，不會產生明顯渦旋，底坡區域，壓力從上而下開始逐漸遞減，下部壓力明顯小于上部壓力，由此可以得出底坡區域易產生明顯渦旋。從底坡區域開始，壓力分布開始發生較大變化，進水結構出口處的壓力分布極不均勻，流態不穩定。

對比P1～P8進水結構的流線圖可以看出，在進水結構的前段和中段部分流線比較平順整齊。因此只進行坡度優化的方案，在底坡至出口區域的流線曲折性改變較小，而改變流道寬度的優化方案，底坡至出口區域的流線比較紊亂，水流流態較差，對出口處的流速均勻度造成一定的影響。由此可以得出，當改變了進水結構的寬度后，會使得底坡和出口處的水流流線變得紊亂，造成出口處的流速均勻度降低。

對比P1～P8進水結構的渦旋圖可以看出，進水結構前段渦旋較小，無明顯渦旋，底坡開始出現明顯的渦旋，流態產生較大變化，底坡至進水流道出口區域均有不同程度的渦旋，流態極不穩定。其中P6和P7方案渦旋相對最小，流態最好，P8方案渦旋最大，流態最差。

5 結論

1)前池進水流道的水力損失hf從優化前的0.003 5 m降低到優化后的0.001 5 m，進水流道出口軸向流速均勻度由優化前的38.62 %提高到優化后的74.94%。通過優化，水力性能得到了較大提升，合理的進水結構是保證泵站能夠高效、穩定運行的重要前提。

2)從綜合性能來看，與原流道相比，P7方案的優化效果最好，對坡度進行優化后可以很好地改善前池內的不良流態，消除渦旋現象的產生，使出口處的流速均勻度得到一個良好的結果，可以有效地保障泵站的安全、穩定運行。

3)對比8個優化方案，坡度i對進水結構水力特性的影響最為敏感，設計時應重點關注。