基于流道進流指標分析的大型泵站進水池優化調度研究

韓曉維，劉 云，孟金波，屠興剛

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.杭州市南排工程建設管理處，杭州 310019)

0 引 言

進水池是泵站的重要組成部分，其主要作用是為水泵正常高效工作提供穩定良好的進水流態[1]，對于流態復雜的大型泵站，輔以物理模型試驗，協助確定有關參數和尺寸[2]。進水池水流流態的好壞對于水泵的穩定性、效率和空化性能產生直接影響[3]，若進流流態不佳易在水泵內部形成較大的壓力脈動和振動[4]，因此目前對進水池內流態的研究主要側重進水池體形及相關整流措施的研究，所選取的工況一般為全部機組同時運行時的水流流態[5-7]。但由于大型泵站機組較多，不同機組運行時進水池內流態有所差別，即使通過試驗優化后進水池內流態也呈現較為明顯的優劣。早在1989年，黃廣禮就提出多機組泵站各臺泵的運行性能與其所在前池中的位置和其他機組開機臺數密切相關[8]。李迎春[9]等則建立了旗嶺泵站前池、引水明渠、進水流道三維數學模型，并以流動均勻性及漩渦分布為指標提出6臺機組運行時的優化組合方案，但判斷指標以流態為主，未對泵站流道進口進行三維分析。

由于三維黏性湍流數值模擬已成為泵站流動分析主要手段，現有CFD技術已能夠比較準確地預測進水池旋渦分布，復核泵站的進流特征[10]，因此本文擬通過Flow3D軟件，對大型泵站不同機組運行時的進水池及流道進口進流條件進行模擬，并提出較優的開機組合方案。

本研究基于某大型泵站工程，該工程進水池長70 m，底寬65.04 m，前接進水箱涵，后連泵站進水流道。進水池經優化后漸變段長40 m，池底高程以1∶7.94的坡度從-2.50 m變至-7.538 m，漸變段平面擴散角約為8.98°。泵站共設5臺斜20°軸流泵機組，單機流量為50 m3/s，流道進口段順水流方向長14.0 m，底高程-7.538 m，頂高程-1.938 m，進口設攔污柵及檢修閘門，閘孔尺寸9.6 m×5.6 m(寬×高)，進水池平面及剖面布置見圖1和圖2。進水池最高運行水位3.19 m、設計運行水位1.88 m、最低運行水位為0.52 m。

圖1 進水池平面布置(單位：m)Fig.1 Layout plan of inlet sump

圖2 進水池剖面布置(單位：m)Fig.2 Profile layout of inlet sump

1 模型設計

目前，用于模擬泵站水流的計算域一般包含整體式和分散式2種類型[11]，對于本研究，主要考慮泵站進流條件，因此采用分散式類型，即僅將進水明渠、進水箱涵、前池、進水池和進水流道共同組成的對象作為進水系統計算域。

1.1 控制方程

控制方程包括連續性方程、動量方程、紊動能k方程、紊動能耗散率ε方程：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

紊動能k方程：

(3)

紊動能耗散率ε方程：

(4)

Flow3D自由液面采用Tru-VOF方法。流體體積法(VOF)是Hirt和Nichols 1981年提出的處理復雜自由表面的有效方法，是目前應用非常廣泛的一種追蹤自由表面的數值方法。主要由3部分組成：一是定位表面；二是跟蹤自由表面運動到計算網格時的流體表面；三是應用表面的邊界條件。Flow3D使用了真實的3步VOF方法，稱之為“Tru-VOF”， 該方法定義流體體積函數F=F(x,y,z,t)表示計算區域內流體的體積占據計算區域的相對比例：

在FLOW3D中關于流體體積函數 的輸運方程同樣需要考慮體積和面積分數參數：

(5)

1.2 模型范圍

模型實體建模采用AUTOCAD軟件，主要對泵站進水池內流態進行模擬，上游模擬范圍至泵0-160處(進水明渠)，下游模擬至泵葉輪中心處樁號0+000，模型實體范圍見圖3。模型中X數值指泵站樁號，Y值為距離泵站中心線的距離，Z值為高程值，單位均為m。

圖3 三維模型整體示意Fig.3 3D model overall schematic diagram

1.3 模型網格

FLOW-3D采用基于結構化矩形網格的FAVOR方法進行計算，進水池及進水流道內的網格尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m，進水箱涵及明渠內網格尺寸為0.8 m×0.8 m×0.8 m，網格總數約140 萬個，見圖4。

圖4 模型網格劃分示意Fig.4 Schematic diagram of model mesh generation

1.4 模型控制條件

模型上方區域設置為壓力邊界(P)；上游為水位邊界(H)，并設置一定的初始水位，在優化調度研究中初始水位均為泵站進水池設計水位1.88 m；下游為流量邊界，位于泵葉輪中心處，單臺泵站流量為50 m3/s；底面及兩岸由于受到進水池底板、河道底高程及岸坡等地形限制，采用了對稱邊界(S)，或采用壁面邊界，表示無通量且無剪切；壁面采用無滑移邊界。

模型設定了初始水體范圍，并且給定初始水位，水面水平，壓力為靜水壓。初始時間步長為0.002 s，并根據網格大小進行自動調整，其中最小時間步長設為0.000 001 s，最大時間步長設為1 s。

2 進水池流道進流指標

對于進水池的水流在進入水泵之前的流態，相關學者提出了相應的判斷指標[12,13]，一般以斷面流速均勻度Ω和平均偏流角θ為主，其定義如下：

(6)

(7)

本工程指標斷面選取在泵站進口平直斷面末端(泵0-013.3)，以此來表征泵站流道的進流條件。朱紅耕等[14]曾以此2指標作為優化目標，應用于南水北調東線工程低揚程泵站設計，優化后使進水流道出口流速均勻度提高3.26%，偏流角減小1°，可減少水力損失24.1 %，具有顯著的效益。資丹等[15]基于響應面模型，以吸水喇叭管懸空高、后壁距和淹沒深度為設計變量，對泵站進水池參數進行優化，優化后流速均勻度提高5.92%，渦量特征值降低3.1倍，亦顯著改善了進水池的流態。一般來說，泵站進口斷面的Ω值越大，θ越小，則泵站進流條件越好，有學者提出泵站流道進口Ω應大于85%，θ應小于5°[13,16]。

3 計算結果及分析

本工程共設5臺機組，對稱布置，為詳細分析各機組運行時進流條件的優劣，采用全組合方案進行研究，共有18種組合方案，工況見表1，計算成果見表2，進水池典型平面流場見圖5，不同機組運行時較優與較差調度方案流道立面流場見圖6。研究表明：

表1 開機組合方案Tab.1 Research working conditions

續表1 開機組合方案

表2 泵站進流指標計算成果Tab.2 The results of flow regime index

圖5 進水池平面流場分布(Z=-2.1 m)Fig.5 Flow field distribution in inlet sump(Z=-2.1 m)

(1)不同泵站機組組合時泵站流道進流均勻度Ω變化不大，但進流角度θ則存在明顯的差異。如4臺泵同時運行時，各流道Ω指標最小值約89.07%，最大值約為91.57%，變化較小，而θ指標最小值約4.13°，最大值可達7.75°，變化明顯；3臺泵運行時，各流道Ω指標最小值約89.93%，最大值可達91.97%，變化較小，而θ指標最小值約3.83°，最大值可達8.53°，變化顯著。

(2)在相同機組運行臺數的情況下，相鄰機組運行時的泵站流道進流條件明顯優于間隔機組運行。如4臺泵站運行時，開啟1號，2號，3號，4號機組運行時各流道平均進流均勻度Ω為90.5%，進流角度θ為4.3°，1號，2號，3號，5號機組運行時各流道平均進流均勻度Ω為90.4%，進流角度θ增大至5.3°，且5號機組的進流角度θ甚至可達7.75°，遠超5°的限制，進口流道內存在明顯的渦流；3臺泵站運行時，開啟2號，3號，4號機組運行時各流道平均進流均勻度Ω為91.18%，進流角度θ為3.88°，1號，3號，5號機組運行時各流道平均流速均勻度為90.64%，角度增大至6.81°，且1號及5號機組的進流角度θ可達7.74°。

(3)開啟中間機組時的進流條件優于開啟2側機組。如2臺泵站運行時，開啟1號，2號及2號，3號均為相鄰2機組，但2號，3號機組位于進水池靠近中間側，其平均進流角度θ為4.92°，較1號，2號機組的平均進流角度θ為5.69°明顯減小。開啟1號，3號及2號，4號均為間隔一孔開啟，但2號，4號機組位于進水池中間，其平均進流角度θ為4.99°，較1號，2號機組的平均進流角度θ為5.82°明顯減小，其余工況也有類似結論。

圖6 典型工況流道進口水流條件(X=-13.3 m)Fig.6 Vertical flow field distribution of pump inlet(X=-13.3 m)

(4)由于不同開機組合時泵站進流條件存在差別，從全組合調度試驗可知4臺泵運行時泵站機組開啟組合優先順序依次是1號，2號，3號，4號>1號，2號，4號，5號>1號，2號，3號，5號；3臺機組運行時，泵站機組開啟組合優先順序依次是2號，3號，4號>1號2號3號>2號，3號，5號>1號，2號，4號>1號，2號，5號>1號，3號，5號。2臺機組運行時，泵站機組開啟組合優先順序依次是2號，3號>2號，4號>1號，2號>1號，3號>1號，4號>1號，5號。1臺機組運行時，泵站機組運行優先順序依次為3號>2號>1號。結合各開啟臺數下的進流條件，建議的泵站開機順序為3號→2號，3號→2號，3號，4號→1號，2號，3號，4號→1號，2號，3號，4號，5號(或其對稱開啟方式)。

4 結 論

基于Flow3D軟件對泵站進水池及流態進口水流條件進行計算，并對相應組合時的進流指標進行分析。研究表明：

(1)泵站運行時，流道進流條件受進水池內流態影響，同一排澇流量下的不同組合方案時流道進流條件存在明顯區別。

(2)泵站進流條件的區別主要體現在進流角度θ上，為敏感指標，流道進流均勻度Ω則變化不大。

(3)在相同機組運行臺數的情況下，相鄰機組運行時的泵站流道進流條件明顯優于機組間隔運行。

(4)中間機組運行時的流道進流條件明顯優于兩側機組運行時。

(5)通過全組合調度試驗提出了相應的優化組合方案，可供類似工程參考。

由于本文研究所基于的工程為正向進流，左右對稱，且進流條件較好，若泵站為斜向進流或側向進流，則進水池內流態更為復雜，泵站機組的優化調度仍需進一步研究。