超大型城市供水泵站前池導流措施的流場及水力模型研究

王磊磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

某大型供水泵站具有長距離隧道進水，泵站流量大、揚程高，供水方向多，機組臺數多，運行時間長等特點。泵站受地形條件、場地面積等限制，總體布置較為局促，約束性條件較多。泵站進水管管徑為5.5 m，輸水規模為708萬m3/d，水經過泵增壓后沿著三個不同方向供水。泵站采用90°側向進水方式，兩側對稱布置，單側前池3座，單座前池水設吸水池4格，每格設泵1臺，共設有24臺水泵，采用進水管—過渡段—配水渠—前池—進水池—泵的布置方式。

吸水池的流態直接決定了泵站供水的安全和穩定[1]，而影響吸水池的流態主要因素有吸水條件、主要設計尺寸[2]（包括池長、池寬、后壁距、淹沒水深、懸空高度等）和型式。

吸水池流態的惡化主要是由于進水偏流，以及矩形吸水池無法抑制偏流所導致[3]。本文在泵站整體配水研究的基礎上[4]，針對前池的導流方案進行數值模擬及水力模型的試驗研究，改善吸水池的水力性能，為大型泵站的優化設計提供理論支撐。

1 計算及試驗條件

1.1 計算模型的建立

在設計工況時，分別對進水池中水泵喇叭口下方是否加導流錐進行數模計算。圖1為喇叭口下方無導流錐和加導流錐的網格圖。由于喇叭口下方加了導流錐，需要對網格部分加密，網格總數會增加許多。本文對設計工況下一、四前池后面的進水池內喇叭口下方加導流錐進行數值模擬，無導流錐網格總數為252.2萬，部分加導流錐后網格數為271.4萬。

圖1 喇叭口下方增設導流錐前后的計算網格圖

FLUENT 6.3中提供了多種湍流模型，其中realizableκ-ε模型是在κ-ε標準模型的基礎上增加了湍流粘性公式和耗散率輸運方程，因此在流動分離和二次流方面有很好的表現。本文選擇realizableκ-ε模型進行計算，其紊流動能κ和紊流動能耗散率ε的運輸方程分別為：

式中：Vt——紊動粘性系數，Vt=Cμκ2/ε ；

G——浮力產生的湍流動能；

σκ，σe——粘性常數，計算中常采用1.0和1.3；

C1ε，C2ε——模型常量，分別取值1.44、1.92。

計算時假定清水進水的密度為1000.35kg/m3，動力粘度為 1.005e-3Pa·s。

1.2 邊界條件

邊界條件為：進口為速度邊界條件，出口壓力為敞開大氣壓，水面為自由界面，無剪切和滑移速度，池底和邊壁為固體壁面，壁面上流速為零，使用標準壁面函數[5]。使用交錯網格有限體積法（CVM）求解微分方程，壓力與速度耦合方程使用SIMPLEC方法進行求解，湍動能、湍流耗散、動能均采用QUICK離散格式。

1.3 水力模型的設計

結合模型用泵的選擇要求及模型水流在阻力平方區要求，選取模型線性比尺λL=8。根據試驗要求，采用外形幾何相似，流量適應模擬要求，可作調節的水泵作為試驗用泵；試驗中，通過安裝于水泵出水管上的調節閥門調節水泵流量以滿足試驗對流量的要求。原型進、配水建筑物為鋼筋混凝土制作，若施工質量良好，其糙率為0.013～0.014，模型進、配水建筑物過流面采用純水泥抹面，其糙率可達0.010～0.011，基本可滿足糙率相似的要求；為便于觀測水泵進水喇叭口附近的水流流態，進水池后壁及側壁局部采用透明材料制作[6]。

2 數值模擬結果

利用所建立的泵站數值模型及水力模型，重點模擬計算泵站的吸水池部分部分和水泵喇叭口區域的流場特征，并進行試驗觀察和流速測定，改善泵站的配水均勻性，為優化設計提供理論依據。

2.1 設計工況計算

之前的數值模型計算表明前池一、四后面的進水池水泵喇叭口下偏流比較嚴重，因此重點研究設計工況下的一、四前池后面的進水池的流場特征，并對水泵喇叭口下方加導流錐進行計算對比。模擬結果見表1所列。

如表1所列，增加了導流錐后的喇叭口下方水泵進水偏流明顯減弱，除了4-2喇叭口下的偏流為7°外 ，偏流角一般均小于4°，可見在喇叭口下方加了導流錐對改善進泵偏流效果顯著。同時計算結果表明，水平和垂直方向的流態分布變化不大。

2.2 事故工況計算

事故工況時，左側單管進流比右側單管進流的偏流情況更嚴重，這已由前述作了說明。為了改善事故工況時的偏流情況，優化泵站吸水池部分的設計方案，本節對泵站左側單管進流喇叭口下方增加導流錐進行模擬。錐形導流體由于類似于水泵喇叭口的結構特征，可以起到限制水流環繞水泵旋轉的作用，漩渦和環流都不易發生，具有良好的水力條件，可獲得滿意的進水流態。喇叭口加導流錐三維網格見圖1所示。泵站進水底平面流速分布及流線見圖2所示。表2所列為泵站配水渠6座前池進口流量的統計情況及偏差比較。

由圖2及表2可以看出，增設導流錐后，單側水泵的吸水池流態得到了大大改善，最外側吸水池吸水口平均偏流角為6°，平均流量偏差比由26.89%降低至13.26%，吸水管附近水流比較平順、均勻、對稱。

3 水力模型的驗證試驗

3.1 導流墩整流方案

試驗對三種形式的導流墩布置方案進行了比選試驗，各方案導流墩均布置在前池擴散段。

（1）垂直導流墩：導流墩平行布置，走向與配水孔口垂直，墩長均為8.8 m，墩厚均為0.80 m，頂高-3.00 m，導流墩前緣為半圓弧并緊貼配水孔孔口，導流墩進一步將配水孔由2列2行分割成4列2行的8孔配水孔。

（2）分離導流墩：導流墩平行布置，走向與配水孔口垂直，墩長均為6.8 m，墩厚均為0.80 m，頂高-3.00 m，導流墩前端與配水孔口間有1.6 m的距離。

（3）八字形導流墩：導流墩呈八字形布置，墩長均為8.8 m，墩厚均為0.80 m，頂高-3.00 m，導流墩前緣為半圓弧并緊貼配水孔孔口，導流墩走向分別位于導流墩前緣頂點與兩邊機組隔墩頂點的連線上。

表1 喇叭口下方水泵進水偏流情況一覽表[單位：（°）]

圖2 泵站進水底平面流速分布及流線圖示（h=2.75m斷面）

3.2 方案比選

試驗表明，各導流墩方案均能在一定程度上改善前池不良流態，但是效果不一。垂直導流墩方案能有效地消除前池存在的大范圍回流區，但是導流作用不足，對前池存在的斜向流不能有效消除，前池局部區域仍存在小范圍回流及斜向流。分離導流墩方案在一定程度上優化了垂直導流墩方案的不足，水流在配水孔口和導流墩之間有1.6m空間可以進行水量交換，能有效地消除前池存在的大范圍回流區，但是導流作用仍顯不足，主要表現在導流墩與池壁間仍存在小范圍回流及斜向流。八字形導流墩方案能有效地消除前池存在的大范圍回流區和斜向流，可以通過調整導流墩前緣的位置來調整配水孔口的分流比[7]，同時又可以通過調整導流墩的走向來加強導流墩的導流作用。根據多方案多工況對比試驗的結果，八字形導流墩方案的整流效果最優，選定其為導流墩整流方案。

表2 泵站配水渠前池進口流量統計一覽表

采用八字形導流墩方案后，經常運行工況下前池水位較設計運行水位高，池內流速有所減緩，各池總體流態與設計工況相近。抗咸運行工況前池水位為-6.420 m，運行水位較設計工況低，但相應引水流量亦有所減少，與設計運行工況相比，前池流速略有降低。泵站各前池流態總體上與設計運行工況相類似，進水池進口處流態良好。

3.3 喇叭口流態觀測

經常運行工況時，水庫水位2.00 m，前池水位-3.14 m；抗咸運行工況時，水庫水位6.20 m，前池水位1.28 m。抗咸運行工況水泵喇叭口進水流態見圖3所示。從泵站整體模型水泵喇叭口流態觀測角度，說明泵站進水池設計參數以及水泵進水流態導流設施合理。

圖3 抗咸運行工況水泵喇叭口進水流態圖示

通過試驗現場觀測和拍照、錄像資料對比分析，未發現水泵喇叭口附近有漩渦、偏流、回流等不良流態，未見喇叭口單向進水現象，水流從喇叭口四周環向進水，進水較均勻、平順，水泵吸水條件良好。在流態觀測的同時，對增設導流墩后配水渠末端至前池末端的水位落差進行了量測。配水渠至前池末端的水位落差雖有所增加，但仍滿足設計方所提出的水力設計要求。導流墩整流方案配水渠至前池末端最大水位落差為0.020 m。

4 結論

針對高約束性條件下的大型泵站前池流態，通過建立紊流不可壓縮流體的速度場模型及多方案的水力模型，計算并分析了增設導流錐、導流墩對前池及吸水池流場的影響，為優化設計提供了依據。主要結論包括：

（1）計算結果表明，增加導流錐后的喇叭口下方水泵進水偏流明顯減弱，偏流角一般均小于4°，水平和垂直方向的流態分布變化不大，對改善進泵偏流效果顯著；

（2）事故工況時，單側水泵的吸水池流態得到了大大改善，平均流量偏差比由26.89%降低至13.26%，吸水管附近水流比較平順、均勻；

（3）前池的八字形導流墩方案可有效消除存在的大范圍回流區和斜向流，并通過調整配水孔口的分流比加強導流作用，因此整流效果較優；

（4）導流墩整流方案配水渠至前池末端最大水位落差為0.020 m，滿足設計方所提出的水力設計要求。

[1]Matahel Ansar,Tatsuaki Nakato.Ansar.Experimental study of 3D Pump-Intake Flows with and without Cross Flow[J].Joumal of Hydraulie Engineering,2001,127(10):825-834.

[2]成立,劉超,周濟人，等.泵站前池底壩整流數值模擬研究[J].河海大學學報,2001,29(3):31-35.

[3]Li S,Lai Y,Weber L,et al.Validation of a 3D numerical model for water pump-intakes[J].J.Hydr.Research,2004,42(2):282-292.

[4]劉文明,金仲康,鄭源，等.大型供水泵站數值模擬及水力優化[J].給水排水,2009,35(6):54-57.

[5]Rajendran V P,Patel V C.Measurement of vortices in model pump-intake bay by PIV[J].Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,2000,126(5):322-334.

[6]馮建剛,李杰.大型城市水源泵站前池流態及改善措施試驗[J].水利水電科技進展,2010,30(2):70-74.

[7]周龍才,劉士和,丘傳忻.泵站正向進水前池流態的數值模擬[J].排灌機械,2004,22(1):23-27.