城市綜合排水泵站前池流態的數值模擬研究

袁樹明

(東莞市運河治理中心，廣東 東莞 523000)

1 相關數學模型與計算方法

本文以某市的排水泵站工程項目作為實證研究對象，該泵站在建設后期共有3臺立式軸流機組，正向矩形箱涵式進水為該站前池的主要進水方式，在其矩形箱周圍的水流擴散角度約為40°，以縱向角度而言，處于坡底處的坡度總值為0.354，面向泵站的總體累計長度為11.26 m，在進水池前端周圍分布了3臺作業水泵，各進水池之間通過隔墩進行分離。

1.1 控制方程

在實際泵站的作業過程中，經前池處理過后的污水處于較為洶涌的湍流狀態，其雷諾系數相較于104通常更大，其流動方式主要為不可壓性流動方式。本文創新性地將雷諾時均方程同具有標準化數據性質的k-ε紊流模型方程式相融合，通過導入具體的參數數值，可以得到面向不可壓水流的控制展現方式[1-3]。在本文中，連續性方程的計算參數與構成部分可用式(1)表示,動量方程如式(2)，紊動能方程如式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：ui、uj分別為在i、j方向下速度矢量所表現出的分散數值；xi表征笛卡爾坐標系的坐標具體刻度范圍；gi為在i方向下表現出的質量力數值；ρ為水密度；p為處于流體微元素上側的水流槽向壓力；v為面向水流動態運動過程中所體現的黏度系數；k為水流自身的紊動動能量；ε為水流紊能的耗散率；vt為水流的渦黏性系數;σk為紊動能。

1.2 邊界條件參數

在對泵站前池相關數值動態模擬過程中，面向前池進口段邊界周圍主要基于速度入口條件進行計算，具體以水流進口速度、湍流動能與耗散率的比值進行表示；在進口站邊界處的具體計算數值以自由出流數值作為邊界性計算條件，在計算過程中，水流梯度計算數值(以水平流動方向為例)通過θ表征；將標準式壁面應用于黏性底層作為函數處理標準方法。

1.3 模擬數值計算方法

將面向計算對象的有限體積計算方式作為控制方程離散度的量化方式與分析標準，在控制體中心范圍處，同時融合水流動態壓力、湍動能、水流耗散率，計算方式選取壓強耦合算法，方程的求解則選用SIMPLEC算法。

2 計算結果與分析

2.1 數值模擬評價指標

(1)面向前池兩斷面水力損失值hw的計算。借助三維數值模擬，可以具體計算得出參與計算水流處于動態流動范圍狀態下所呈現的水流湍動動能壓力擴散情況，考慮到計算結果的代表性，本次研究僅選擇兩個斷面進行實際模擬與演示，以客觀評估其水力損失值，進一步構建斷面具體的水力損失值情況，并將其作為本文研究中具體的評價指標，見式(4)。

hw=E2-E1=

(4)

式中：hw為水力損失值；E1與E2為過水橋面1與過水橋面2處的整體性累積總能量計算數值；p1與p2為兩個斷面處處于靜態情景下的平均湍流動水壓強計算模擬數值；Z1與Z2為過水斷面1、斷面2的形心點距基準面的高度參數數值范圍；v1與v2為兩處斷面的水流均速。

(2)流速分布不均勻系數N的計算。排水泵站前端進水池內部的水流流態對水泵的整體工作性能產生直接影響，而面向進水池進口段的流速均勻情況進行計算有助于為水泵的高效運行提供參考。將排水泵站前池段擴散結束后的斷面作為進水池進口典型的斷面示例，同時以該示例所蘊含的流速不均勻系數作為對多孔口配水系統不同形式下前池流態優化狀態評價的另一核心指標，其計算如式(5)：

(5)

2.2 無整流措施情景下前池流態分析

處于無整流措施情景時，排水站前池處水流的平面流速分布情況見圖1。從該圖的計算模擬數值可知，在箱涵處于進水狀態后，污水在箱中的主流方向為前池區域的中間位置，而處于前池兩端處的水流流動速度整體相對較小，在前池處還進一步導致了較為嚴重的區域回流現象，且回流面積整體涉及范圍較大，逐漸蔓延、過渡到邊緣壁壘區域，從而導致前池進水段處所呈現的水流進入速度不均勻，由上述數據可知，在該前池處的整體不均勻系數較高，污水進流速度極其不均勻，阻礙了機組的工作效率，極易誘發泵站機組的突發性振動，降低機組的安全性能。

圖1 無整流措施情景下前池流態分析

2.3 在加設八字形導流墩后的整流效果

導流墩是十分普遍的常規工程措施，其主要的工程作業原理是通過不同角度的導流墩對污水的導流作用，實現對箱涵的分割與調整，進而使其中存在的污水發生轉向，減少在前池平面處的擴散角度，并于平面上方實現對水流的均化作用，有效消除處于前池處的壁面回流與水流偏流現象。前池導流墩的建設參數設置與前水池中水力條件兩者之間存在較為顯著的密切關聯，因此，前池進水口周圍的建設參數設置較為敏感。

圖2中八字形導流墩的主要設置參數有導流墩處的墩頭布置位置L1以及L2，其中，L1表征兩墩頭間距數值、L2表征前池進口處寬度數值(5.0 m)。由圖2可知，導流墩的初始布局位置起始于前池的進口端處，并且采用對稱的配置方式。在設計過程中，考慮到對導流墩實際作業效能的影響，將前端端口間距同前池進水口段間的模擬數值參數設定為0.24，以該參數情景出發，L1=1.2 m。分別設定處于不同參數情景下的導流墩夾角數值α，進一步將其同導流墩長度l進行整合計算，在得到上述數據后，面向該排水泵站前池段的實驗參數數值進行模擬計算，由此分別求得排水泵站前端進口斷面的流速分布不均勻系數以及前池兩處斷面的水力損失，具體計算結果見表1。

圖2 在加設八字形導流墩后的整流效果

表1 前池相關數值模擬參數計算結果

2.4 排水泵站進水池的流態分析

在現實的作業過程中，在進水池前端端口的進水方式、建筑規模與建筑的布局情況與具體的水流流速均會對水流形態產生一定程度的影響[4]。本文依據《泵站設計規范》(GB 50265—2010)中的相關要求，對泵站前池處的標準設計要求進行分析。泵水站前池的建設要求主要為能夠保證池內的水流流態良好，可以及時滿足水泵的進水與排水要求，有助于更加方便地清理與維護淤泥。在正向進水擴散前池處的臨界擴散角度為20°～40°，根據該角度參數，前池處的擴散角度應與水流臨界的擴散角相等或相比其更小，若不滿足該標準，則極其容易導致前池內部出現脫壁回流現象。該排水泵站前端進水池的各項參數計算數值具體如圖3～圖5所示。

圖3 進水池流量矢量分布

圖4 H=2.8 m情景下流量矢量分布

圖5 前池表面速度等值線分布

根據上述各圖中所展現的參數情況，前池進水口處階段性表現出一定范圍的區域壁面回流與水流漩渦，在水流漩渦的影響下，水流的逆向動能難以被有效地分散，相反的，其水流聚集現象較為顯著，并且存在沿著進水端方向的動能壓縮現象，兩側的水流分布困難，中間處的流動速度較大，而整體壓力較小，因此，在流速與壓力具有一定數值差距的情況下，前池處的兩側便極易形成回流與漩渦，影響進水池的結構與作業安全性。導致該現象的主要原因為前池端的整體擴散角度較大，但是相應地，其長度較短，由此導致可供調整水流流態的空間十分有限，主流不能夠及時擴散，前端的淤泥被后端的淤泥阻擋，由此在前池端口處產生回流區域與水流漩渦，基于上述情況需要對排水泵站前池的結構形態進行優化。

3 排水泵站前池進水流態改善措施剖析

在面向排水泵站整體的建筑結構與設施布置范圍進行設定時，如想要收獲較為滿意的進水形態，則需要從兩個方面進行設計與施工，其一為消除大尺度回流現象；其二為使水流在前池的寬度上能夠進行均勻地擴散。在實際作業環境中，前池內部的回流與漩渦現象主要誘發原因是排水泵站前池處進口段邊壁的各邊界層之間存在分離流動現象，該點無論面向正向前水池抑或側向前水池都是相同原理。在前池進水口處若要實現對水流流態的有效調整，本文綜合考慮上述因素，采取底坎整流的研究方案面向該泵站前池進行優化設計。

(1)進水前池的梯形底坎是面向進水池前端進水口最為普遍的整流措施。在設置底坎后能夠實現兩個主要建設性作用，其一，可以實現面向入站水流的翻滾與旋轉，水流的持續、落差性翻滾會使坎后平面處出現回流幅度差值，因此，水流的能動性作用也會相應增強，水流的旋轉現象被有效削弱，當水流匯聚到前水池時，水流能夠保持均勻的流動狀態，底坎處的剩余水流動能被顯著削弱與保留，由此可見，增加了一定程度水頭損失的情況難以有效避免，但是從整體而言，水泵機組的整體裝置運作效能要顯著高于這一附加條件下的水頭損失。此外，底坎所產生的消除回流的具體現實效果同水深間的比值具有正向關聯，合理的底坎設計可以有效地對水流漩渦強度與范圍進行控制，由此削減回流強度。

(2)在本文中面向該水泵站前池的設計內容具體如下：在距離吸水管5 cm處，于垂直進水方向布置底坎，所布置底坎周圍的參數具體為：底部寬為1 m、下底處寬達2 m，高程至1 m。

(3)通過上述優化方案，水流在實際的流動與處理過程中，可被阻擋于底坎兩側，并形成兩個各自獨立的紊動擴散區域，基于上述動能擴散區域，為水流的動態勢能提供了充足的協助力，能夠減少由于漩渦現象帶來的不良水力現象，防止出現較大幅度的區域性回流；部分水流在越過底坎后，經由導流墩被有效分割與擠壓，進一步于前池處出現紊動的擴散現象。在本次面向泵站前池的參數數值模擬過程中，三維立體狀態下的水流動能特征表現得較為顯著，此外，在邊墻側面處呈現的水流流速也在瞬間呈現增大趨勢，并且在前池內部的水流漩渦被極大程度的削弱，水池優化基本實現。

4 結 語

本文以某市排水泵站為研究實例，對其前池參數進行了數值三維模擬。首先，提出了相關的數學模型與計算方法，具體包括：控制方程、邊界條件參數、模擬數值計算方法；其次，對泵站前池有關模擬數值進行計算與分析，并著重分析了在加設八字形導流墩后的整流效果，同時，分析了排水泵站進水池的流態；最后，在數值模擬分析的基礎上，提出了排水泵站前池進水流態改善措施。本文可以為城市綜合排水泵站的建設與維護提供有效參考。