矩形雨水泵站設計及其三維流態模擬

雨水泵站是城市排水的重要組成部分，承擔保證服務區域內雨水及時排出的任務，泵站內部各構筑物設計的合理性是保證雨水泵站高效率運行重要環節。泵站前池、集水池、出水池的設計得當與否，直接影響水泵的運行狀況，設計不當時，池內流速過快流態紊亂，給水泵帶來不理想的工作環境，降低了水泵工況從而增加運行成本。

1 工程概況

桃花寺雨水泵站位于天津市北辰區，南鄰北運河，經計算區域內雨水量為17 m3/s，進入泵站前雨水管道管徑為雙排2 800 mm。根據泵站的進出水位置，泵站設計為“矩形”。

與常見的“酒瓶形”設計相比，“矩形”泵站布局緊湊，進出水在一個構筑物內完成，泵站內部空間得以有效利用；但泵站內部結構設計復雜，故在設計過程中既要保證泵站內水流是穩流狀態，也要滿足泵站結構要求。

2 方案設計

據泵站選址與北運河的位置關系，地上建筑面積≯300 m2，采用合建式泵站，即變配電室位于泵站上方，見圖1。合建式泵站布置緊湊、占地少、管理方便。

圖1 泵站總平面布置

工藝流程：4排DN2 400 mm進水管→進水閘井→格柵井→集水池（經泵提升）→壓力出水池→高位出水閘井→雙排3.5 m×3 m方涵出水→八字出水口排入北運河，見圖2。

圖2 基本工藝流程

1）格柵共4臺，通過流速為0.88 m/s。

2）集水池。為保證水泵具有良好的吸水條件，要求集水池中的水流平穩，即流速分布均勻，否則不僅會降低水泵的效率，也會因水泵汽蝕給機組帶來擾動而無法正常工作[1]。

泵站集水池采用隔墻分為4個流道，每個流道放置兩臺水泵，根據水泵安裝間距，確定流道的長度和寬度，在出水池兩側的流道隔墻分別預留2 400 mm×2 400 mm方形孔洞并設2套2 400 mm×2 400 mm鑄鐵鑲銅方形閘門，正常情況下閘門是關閉的，必要時提起，保證泵站內部流道的既獨立又統一。集水池擴散角為8°和13°，此時，水泵吸水喇叭口前流速經過逐步控制已經接近0.6 m/s。

水泵采用潛水軸流泵，根據服務區域內地塊開發的時序性，近期水量約為3.5 m3/s，根據近遠期相結合、大小泵搭配的原則，共采用8臺潛水軸流泵：6臺大泵，單機流量2.4 m3/s；2臺小泵，單機流量1.2 m3/s。

集水池最高水位取進水管道滿流時的水位，為-2.200 m；最低水位大于水泵淹沒水深，為-4.800 m（大泵）、-5.600 m（小泵）。

3）出水池。主要起消能穩流作用，因此要求池內水流順暢、穩定且水利損失小，這樣才能消減出水流道或出水管道出流的余能，使水流平順而均勻地流入渠道或承泄區，以免造成沖刷[2]。

本項目為前置式壓力出水池正向出水，后經高位水池泄壓以重力流方式用雙排3 000 mm×3 500 mm方涵排到北運河，排出口處流速為0.80 m/s，見圖3。

圖3 泵站出水層剖面

3 三維流場的模擬試驗（FLUENT軟件模擬）

GB 50014—2006《室外排水設計規范》（2016年版）：水量＞15 m3/s泵站宜通過水力模型試驗確定進水布置形式。結合計算流體力學軟件FLUENT，對雨水泵站進水流態的特點建立三維湍流模型，進行網格劃分，選取適當湍流模型和數模收斂方法進行數模計算，建立相應的優化目標函數。

根據流體流動的特點，應用數值計算方法對泵站進出水流道的流場進行理論分析，關鍵是復雜的邊界條件以及邊界層流動作用、流動分離等對流道內流動狀態有關鍵影響的流場結構的建立[3～4]。

3.1 進水流道三維流態計算

按照高水位-2.200 m進行FLUENT軟件計算，見圖4。模擬的流速分布與設計時計算的流速是基本吻合的，水流從閘門井經格柵井至集水池，流速呈逐級遞減的趨勢，沒有出現流速突變的現象，表明泵站進水區工藝設計是合理的。

圖4 泵站進水流道流速分布

3.2 泵站出水流道三維流態計算

桃花寺雨水泵站出水流到計算結果見圖5。FLUENT軟件模擬的流速分布與設計時計算的流速是基本吻合的，雨水經水泵提升，水流在水泵出水口拍門處流速最大，隨著水漸向出水池擴散，流速逐漸降低，表明泵站的出水池工藝設計是合理的。

圖5 泵站出水流道流速分布

4 結論

矩形雨水泵站從進水到提升后出水均在一個構筑物內完成且壓力出水池位于集水池上方，充分利用了泵站內的空間，使泵站內部布局更加緊湊，水頭損失小；利用FLUENT軟件模擬泵站運行時流態，各個節點的運行流速是符合設計流速的，證明了設計中工藝尺寸是合理的。

5 建議

泵站運行的工況是復雜多變、不能預料的，而且隨著泵站使用年限的增長，會出現在運行使用中帶來新問題：泵站內部會有一定沉砂的積累，水泵的效率下降等。這些都會影響到流道的水流條件；因此，雨水泵站設計的流態模擬還可以繼續延伸至桃花寺雨水泵站運行。