泵站正向進水前池水流特性與擴散角度優化

中圖分類號：TV675 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2025）07-0122-10

Abstract：Toaddressisuesarisingfromchaoticwaterflowduetounreasonablepumpingstationoperationandinsuficienforebay design，thisstudytooktheYanhuangdingpumpingstationasatypicalcase.NumericalsimulationsusingFLUENTsoftwarewere conducted toexaminediferentforebaypaternsbasedontheRealizableturbulence modelandtheEulerianmultiphaseflowmodel. Theinfluencesofdiferentdifusionanglesanddiffrentumberofoperatingpumpingstatinsontheflowfieldstrucureinthefrebay were expounded. The results show that： ① As the diffusion angle increases，the number of vortices in the forebay flow rises from one to two.At diffusion angles of 25^° and 30^° ，the vortex area occupies less of the forebay inflow，resulting in a more stable flow field. ② （204號 Reducing thenumberofoperatingpumpingstationsfromfivetotwodecreases thevortexareaintheforebafrom31.42mto0.15 m² ，withoptimalforebay flow achieved when operating pumping stations 3# and4#.Theresearch resultscan providereferenceand guidance for the design and renovation of similar pumping stations.

Keywords： pumping station; FLUENT; forward forebay; physical experiment; numerical simulation前池作為泵站進水結構的一個核心構成部分， 對于調控水流狀態具有至關重要的作用。當前池

設計存在缺陷時，池內水流可能呈現不均勻、不穩定的特征，乃至誘發渦旋等負面流態[1-2]。此類狀況將引發能量在前池內部的不均衡分布，進而加劇泥沙沉積的可能性。另外，不良的流態還可能阻礙水流順暢進入流道，誘發汽蝕現象及泥沙侵蝕，對水泵機組的穩定運行構成威脅，致使各流道間的水量分配失衡，削弱單泵的工作效率與出水量的穩定性，同時增加泵站的能耗[3]，嚴重制約灌溉工程的效益。

計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）是一門通過數值模擬方法對流體流動、傳熱傳質等物理現象進行精確分析與預測的學科，在航空航天、汽車制造、能源等眾多領域發揮著至關重要的作用。隨著計算流體動力學理論與技術的不斷發展，針對泵站前池水流形態及泥沙沉積問題的研究，數值模擬與理論分析的方法逐漸占據了主導地位[4]。目前，領域內專家學者在這一方向上已展開了大量研究工作。國外研究人員利用計算流體力學等數值模擬技術對泵站前池的流態進行了深入分析。隨著CFD技術的迅速進步，研究人員結合實驗和數值模擬，使水泵站前池的流態研究更加全面和深入，尤其關注池內水流的流速分布、渦旋生成與消失等現象[5]。Constantinescu等6分別運用了k-ε模型和 k-ω 模型來模擬泵站進水前池的渦旋分布特性，得出結論：選擇合適的湍流模型對于準確描述前池內部的渦流分布具有顯著影響。周濟人等7針對側向進水泵站，運用CFD軟件進行數值模擬，該模擬基于Navier-Stokes方程與Standard _k-ε 湍流模型，重點分析了前池的流態。研究結果顯示，在前池中增設\"Y\"型導流墩后，流速分布得到了顯著改善；此外，通過增設底坎，翼墻前方的旋渦現象得以消除，流場特性發生了顯著變化；同時，導流墻的加入有效優化了前池的水流條件。G.S.Constantinescu等[8]利用特定的方程對泵站前池的漩渦流動狀態進行了數值模擬，所得模擬結果的漩渦結構與物理模型實驗觀測到的現象高度吻合。中國對水泵站前池流態的研究始于20世紀70年代初，國內學者利用計算流體力學，對泵站前池的流態進行模擬和分析[9]。王芳芳等[\"0]運用RNGk-ε 雙方程湍流模型與封閉形式的雷諾時均Navier-Stokes方程，針對某泵站側向前池及其部分引水明渠進行了數值模擬研究，并采用了SIMPLEC算法來執行計算分析。通過對比分析設計方案調整前后的前池水力性能參數，研究結果顯示，采取合理的整流手段對優化前池流態具有顯著成效。陳偉等[1]采用數值模擬手段，針對一個流態紊亂的側向進水泵站進行了深人研究，結果表明，通過在泵站中增設底坎，水流流態能夠得到顯著改善。

本文選取鹽環定揚黃典型泵站為研究對象，采用了計算流體動力學軟件FLUENT，通過對已有的物理模型進行數字建模仿真模擬，分析不同的前池擴散角度和不同泵站機組開關數量對前池流態的影響，為實際施工選出最優方案，提出前池結構的改進方案和整改措施。

1材料和方法

1.1 工程概況

鹽環定揚黃工程項目取水點設于寧夏靈武市白土崗鄉西南部約 2km 處，具體為黃河青銅峽東干渠的第 31+200 位置，引水量為 11m³/s 。其中， 7m³/s 的水量被分配給寧夏地區， 4m³/s 則均分給陜西省與甘肅省，兩省各獲 2m³/s 的水資源配額。工程包括12座泵站，總裝機容量為 6.597×10⁴kW ，設計流量為 11.2m³/s ，總揚程達 372.65m ，輸水總干渠長123.6km ，設有192座渠系建筑物[12]。

1.2物理模型的設計與布設

1. 2.1 模型設計相似準則

依據設計部門規定的試驗任務及要求，并參照SL155—2012《水工建筑物（常規）模型試驗技術規范》的標準，開展模型的設計與試驗工作[13]。本次試驗中采用了正態模型，根據重力相似原理、阻力相似準則以及水流連續性要求，流速場與流態的試驗設計遵循佛汝德（Froude）數相似條件。

1.2. 2 模型范圍與制作

根據鹽環定揚黃工程已有的實體正向水泵站前池示意圖（圖1），本文建立的模型包括一部分渠道、整個漸變段、進水閘、前池、6臺泵站以及與泵站相連接的6個出水口，見圖1紅色標記。

圖1正向進水方案模型布置

Fig.1Forward inflowschememodellayout

1. 2.3 觀測項目及斷面選取

本試驗觀測的主要項目涵蓋流態特征、流速分布以及前池淤積物的形態變化。對于正向進水方案模型的流速測量，其斷面布置見圖2，具體涉及的測量點包括漸變段的起始截面、進水閘末端截面以及前池內的4個不同截面。在LV-1與LV-2截面處，閘室中央配置了2組垂直測量線，每組線包含3個測量點位。LV-3至LV-5截面則平均分布了5組垂直測量線，每組線配備了5個測量點位。此外，進□淤積物形態的測量斷面與流速測量的LV-2斷面相同。所選擇測量數據的儀器主要有三維電磁流速儀、水準儀、照相機、攝像機等。觀測項目時，用三維電磁流速儀測量清水試驗和渾水試驗的水流速度，用照相機、攝像機觀測水的流態和泥沙淤積形態。

圖2正向進流流速量測斷面位置

Fig.2Position of measuringsectionof forward inflow velocity

1.3物理模型試驗方案

通常正向泵站進水前池擴散角度通常取值為20～40^° ，這個范圍內的擴散角度能夠保證水流在前池內的穩定流動。針對不同的擴散角度方案開展模型試驗，并借助仿真模擬獲取速度、漩渦以及氣泡等方面的數據，評估各個方案的優劣，進而選出最優的設計方案[14]。

為了研究前池擴散角度對流態的影響，本研究在保持進水前池入口寬度 B_m. 長度 L 及進水池和吸水管的結構及其放置方式不變的情況下，分別對水泵站正向前池擴散 20、25、30、35^° 角進行建模，分別采用 100%.75%.50% 泵站設計流量，并通過開關不同的泵站機組，對每一種擴散角度制定了物理試驗方案。

1.3.1不同擴散角度

對進水前池擴散 20、25、30、35^° 角采用同一工況進行物理試驗，即采用 100% 泵站設計流量，開啟泵站1、3、4、5、6號，關閉2號，流量為 11.64m³/s ，方案編號為20-100-off2、25-100-off2、30-100-off2、35-100-off2

1.3.2同一擴散角度不同泵站機組開關數量進水前池擴散 25^° 角試驗工況見表1。

表1擴散 25^° 角試驗工況

Tab.1Testconditionatdiffusionangleof 25^°

1.4正向前池不同擴散角度數值模擬

1. 4.1 模型建立與網格劃分

對正向前池四種不同的擴散角度，根據實際數據，運用建模軟件SPACE-CLIAM建立數學模型，不同擴散角度正向進水前池平面布置圖以及模型圖見圖3。由于進水前池尺寸較大，池內水流流動復雜，因此采用ICEM—CFD中的meshing模式對利用

SPACE-CLIAM建立的不同泵站正向擴散角模型進行非結構化網格劃分，通過對比四種網格劃分方案（全局最大單元尺寸分別為 0.25，0.30，0.35，0.40 m），經網格無關性檢驗，發現當全局最大單元尺寸為 0.30m ，網格質量均達到0.3以上，保證了求解過程中的計算效率和精度，網格圖見圖4。

圖3不同擴散角度正向進水前池平面布置以及模型 （mm） 1

Fig.3Plane layoutsand modelsof forward inflow forebayatdifferentdiffusionangles

圖4不同正向前池擴散角度網格劃分

Fig.4Griddivision ofdifferentdiffusionanglesof forward forebay

1.4.2邊界條件與計算方法

由于水流從泵站前池進水口進入泵站前池，進水口較短，認為此處來流速度均勻分布，人口采用velocity-inlet（速度入口）[15]作為入口邊界條件；出口斷面設置在泵站壓力管道處，邊界條件采用質量流出口，質量流率根據具體工況的流量進行轉換；計算域其余壁面皆為固體邊界，采用k-espilon標準壁面函數[16]進行處理。

在泵站前池運行的數值模擬計算中，廣泛采用了Realizable湍流模型。為提升計算精確度，選取了二階迎風離散化方案，并與隱式求解方法相結合。在解決壓力與速度的耦合問題時選用了SIMPLEC算法。同時，利用有限體積法成功將方程的積分形態轉化為代數方程組。在整個計算過程中，通過密切監視殘差圖以評估收斂性，并將收斂標準嚴格設定為 10^-7 ，旨在確保計算結果能充分滿足工程實際需求。

1.4.3 模型驗證

根據前文已經設置好的條件進行物理仿真模擬，由得出的速度分布圖，分析流速、漩渦以及氣泡情況，并根據圖5求取各個斷面平均速度，與寧夏水科院實際測量出的速度進行驗證，當誤差范圍小于5% 時即可認為符合誤差范圍。

通過對比分析物理模型試驗數據與數值模擬數據，在前池擴散 20^° 角時，所對應的方案誤差范圍為 1.37%～4.49% ；在前池擴散 25^° 時，所對應的方案誤差范圍為 0.09%～2.82% ；在前池擴散 30^° 角時，所對應的方案誤差范圍為 0.67%～2.56% ，在前池擴散35^° 角時，所對應的方案誤差范圍為 0.76%～1.85% 各方案均在誤差范圍內，因此可以用于后續模擬。

圖5流速量測斷面位置

Fig.5Measuringsectionpositionofflowvelocity

2 結果與分析

2.1不同擴散角模型驗證結果

將物理模型試驗數據與數值模擬數據進行對比分析，在前池擴散 20^° 角時，所對應的方案誤差范圍為 1.37%～4.49% ；在前池擴散 25^° 時，所對應的方案誤差范圍為 0.09%～2.82% ；在前池擴散 30^° 角時，所對應的方案誤差范圍為 0.67%～2.56% ，在前池擴散 35^° 角時，所對應的方案誤差范圍為 0.76% 1.85% ，上述各方案均在誤差范圍內，因此可以用于后續的進一步模擬，為現實中鹽環定揚水工程更新改造泵站設計提供更加合理的方案與建議。表2為斷面LV-1—斷面LV-2不同擴散角模型驗證結果。

表2不同擴散角模型驗證（斷面LV-1—斷面LV-2）

Tab.2Validationofdifferentdiffusionanglemodel

2.2擴散角對前池內流場結構的影響

圖6為不同擴散角下正向進水前池流場分布。開啟泵站1、3、4、5、6號，關閉2號，流量為 11.64m³/s 從圖6a可以看出，前池的上游趨于平穩狀態，無明顯漩渦產生，前池的下游左端出現了空白，該區域沒有水流經過。由于2號泵站沒有開啟，導致2號泵站前表面受到側向流的影響，在前池末端中間部分有一個較小的漩渦，該工況下的流態相對不穩定。根據流速分布圖6c可知：前池的上游無明顯漩渦與氣泡產生，流態相對較好，在前池的下游左側出現了較小的漩渦，在1號泵站附近水流較少。由于該流態有較小漩渦的出現，但是整體流態較好，因此認為該工況下的流態相對較好。根據圖6e可知：前池上游無漩渦與氣泡產生，因此該工況下前池上游流體相對較好，在前池的下游，有較小的漩渦，該流態總體較好。根據流速圖6g可知：該工況下前池上游無漩渦與氣泡產生，前池上游流體相對較好，在前池的下游出現漩渦，各個泵站吸水口處均無明顯漩渦產生，在1號附近出現了水流較少的情況。

圖6不同擴散角度前池流態及前池漩渦

Fig.6Forebayflowpatternsatdifferentdiffusionanglesand forebayvortexes

由漩渦圖可知，擴散角 20、25、30、35^° 對應的漩渦個數分別為1、2、2、2個，漩渦面積分別為31.42、12.81，11.02，12.64m² 。可見，隨著擴散角度的增加，漩渦數量由1個增加至2個，漩渦面積改變，針對正向進水前池，在多種擴散角構型下的水流流態進行了分析，結果顯示，單純依靠增大擴散角的方法，并不能有效優化進水前池內部的流場結構。計算結果表明，擴散 25^° 角和擴散 30^° 角為較好的擴散角度，因為漩渦面積占進水前池面積較小，流場結構較穩定，擴散 20^° 角雖只有一個漩渦，但漩渦面積較大，占進水前池面積也較大。因此可在擴散 25^° 角和擴散 30^° 角之間進一步細分，選出更好的擴散角度。

2.3不同泵站機組開關數量對前池流態的影響

選取擴散 25^° 角作為研究對象，通過開關泵站不同機組數量，分析不同泵站機組開關數量對前池流態的影響。

a）25-100-off5。開啟泵站1、2、3、4、6號，關閉5號，設定流量為 11.63m³/s ，得到圖7。由圖可知：該工況上游無明顯漩渦與氣泡的產生，因此上游流態相對較好，在前池的下游，左右兩側以及中間位置均有明顯漩渦產生，且各個泵站吸水口處均出現了小漩渦，認為該工況下的水流狀態不佳。

圖7關閉5號泵站機組模擬結果

Fig.7Simulationresultsof closingpumping station5#

。開啟泵站3、5、6號，關閉1、2、4號，設定流量為 8.7m³/s ，得到流速分布圖8a，由圖可知：該工況上游無明顯漩渦與氣泡的產生，因此上游流態相對較好，在前池的下游，左右兩側以及中間位置均有明顯漩渦產生，且各個泵站吸水口處均出現了小漩渦，認為該工況下的水流狀態不佳。

圖8關閉1、2、4號泵站機組模擬結果

Fig.8Simulationresultsofclosingpumpingstations1#，2#，and 4#

c）25-50-on34 。開啟泵站3、4號，關閉1、2、5、6號，設定流量為 5.62m³/s ，得到圖9。由圖可知：該工況下上游流態無氣泡與漩渦的產生，因此上游流態相對較好，在前池下游，左右兩側各有1個較小的漩渦，1號泵站附近出現了水流較少的情況。由于該流態漩渦較小，因此認為該工況下水流狀態相對較好。

圖9關閉1、2、5、6號泵站機組模擬結果

Fig.9Simulationresultsofclosingpumpingstations1#，2#，5#，and6#

泵站開啟的數量由5臺減少至2臺，前池的漩渦大小由 27.51m² 下降至 12.32m² ，說明漩渦的大小與機組開關數量有關，當開啟3、4號泵站時可以得到較好的前池流態。

3討論

泵站正向進水前池擴散角度優化，是一項基于嚴謹的水力學原理及實際運行需求開展的關鍵舉措，通過對擴散角度的優化，能夠依據特定泵站的流量、進水渠道尺寸以及前池的具體結構等參數，精準地確定出一個最佳的擴散角度范圍[17]。通過前文對物理模型的仿真模擬，得出正向前池擴散角度 25，30^° 角工況為相對較理想的工況，為了選出最優的工況，在 25～30^° 選取不同的角度，選用相同的工況進行仿真模擬，然后對比擇優，確定最終角度，本方案選取 27，29^° 角進行仿真模擬。

當擴散角度較小時，前池較長，占地面積較多，當擴散角度較大時，前池較短，占地面積較小，為了由于建模數據不同而給模擬帶來影響，建立擴散27^° 角泵站前池模型采用擴散 25^° 角建模時所使用的數據，建立擴散 29^° 角泵站前池模型采用擴散 30^° 角時所用的建模數據。

將 25、27、29、30^° 角度進行對比，根據出現的漩渦和氣泡情況判定較好的擴散角度，比較發現前池擴散 30^° 角的情況下的3種方案與其他方案相比均較好，選定擴散 30^° 角為較好擴散角度，后續可以選用正向前池擴散 30^° 角進行施工。

4結論

a）正向前池的流態受到開啟的機組組合的顯著影響，當開啟不同數量的泵站機組時，前池內水流流態發生明顯變化。當開啟3、4號泵站機組時，前池流態最佳，水流漩渦最小，面積為 12.32m² ；當泵站機組開啟數量為5臺，前池內水流流態較差，產生的漩渦面積較大，為 27.51m² 。通過控制泵站機組開關數量可以有效改善正向進水前池的水流流態。

b）泵站正向進水前池擴散角度在 25～30^° 時，前池雖有2個漩渦，但面積較小，入池的水流沿流程能夠發展和擴散較為充分；在正向進水前池擴散 25～ 30^° 角之間選取擴散 27，29^° 角進行角度優化，通過數值模擬最終確定 30^° 為最好的擴散角度，能夠使前池內水流流態更平穩，有效提升泵的運行效率。

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（責任編輯：程茜）