中小型泵站進水前池水流特性管控和改善方法

朱偉軍

(浙江豐鐸建設有限公司，浙江 臨安 311300)

中小型泵站在農業灌溉、排澇等方面發揮著巨大的效益，為改善農業生產、促進農村經濟和農民增收、保障國家糧食安全等方面發揮了巨大的作用[1- 4]。

泵站的建筑物較多，其中進水前池為泵站的進水建筑物之一，可保證進入進水池的水流形態平順，為泵站運行提供安全穩定高效的環境。利用工程措施提高進水前池的水流形態，改善水利特性是工程人員關注的問題[5- 6]。楊小帆等利用SST k-ω湍流模型對泵站的側向進水流態進行改善研究，通過分析確定了最佳的導流墩布置方式[7]。王廣聚等對泵房的進水前池進行了優化試驗研究，對前池的布置形式作了具體分析[8]。顧春雨等對多機組泵站復合前池的整流進行了優化分析，認為改用圓弧直立擋墻圓滑連接，去掉涵洞，水流形態更加穩定[9]。

本文在前人研究理論及經驗的基礎上，采用理論與試驗相結合的方法，對采用立柱進行進水前池水流形態的改善和控制進行定量與定性的分析，以期達到最佳的水流特性。

1 研究方案與方法

控制前池水流形態的措施主要有底坎、導流墩和立柱等。底坎由于在坎前容易淤積雜物，使得坎后的漩滾區減小，整流效果較差；而前池內如若存在大尺度回流時，導流墩的整流效果也不太理想。因此，考慮整流效果、施工方便等因素的前提下，本文選擇矩形立柱作為研究對象。湍流模型則選用K-ε模型，在進口處的邊界條件設置為質量進口，流量為33L/s，出口邊界條件為自由出流，設前池的寬度為B，長度為L，深為H，且出口處為10臺機組，如圖1所示。對立柱位置、斷面尺寸、高度、形狀等4個方面進行不同方案(單因素分析法)的模擬試驗研究，見表1。

圖1 前池示意圖

2 模擬結果對比分析

2.1 無立柱流態模擬分析

無立柱(即無整流措施)時，其流態分布模擬圖如圖2所示。無整流時，在前池的兩側均有較大的回流區，回流區對主流的壓迫也比較嚴重，且流速分布極不均勻，流速分布均勻度僅為62.1%，呈中間機組流速高，兩邊機組流速低的趨勢，導致進入泵站兩側進水池的進水條件惡化，嚴重時會發生側向進水和旋渦，運行極不穩定。

表1 模擬設計方案表

圖2 無整流措施時流線及流速分布

2.2 單/雙排柱流態模擬分析

設置立柱即要保證進入各機組的流速盡量保持均勻，且產生較小或者產生回流區。首先以各機組的流速均勻度作為優化條件分析。單/雙排柱情況下的流速均勻度見表2。從表中可以看出：在單排柱方案中，隨著立柱距出水口(機組進口)的距離越大，其流速分布均勻度有逐漸增大的趨勢，當距離出水口0.45B時，其流速均勻度達到79%，可見，X=0.45B是本次單排柱模擬方案中最佳的位置；在雙排柱方案中，流速分布均勻度有先增后減的趨勢，當X=0.48B時，流速分布均勻度達到85.6%，這是因為當立柱距下游較小時，渦還沒有經過充分發展，故而會使得出水口處水流形態較為紊亂，而當距離過大時，又會使立柱前方形成較大渦，同樣也不利于流速分布。對比單排柱和雙排柱方案可以知道，從整體上來看，雙排柱的整流效果要優于單排柱。

方案D6和S3的流線分布和流速分布如圖3所示。對比無整流措施、D6和S3措施下的流線分布和流速分布可以看到：單排立柱的滯水作用明顯沒有雙排立柱強，立柱后側有卡門渦，柱前回流區較無整流措施時小，但比雙排立柱時大，雙排立柱的回流區分布、大小較為均勻；單/雙排柱后回流區均存在一定的卡門渦。通過對比可以發現，雙排立柱的整流效果確實優于單排立柱，且離出水口(機組進口)的最佳距離為0.48B。

表2 不同單雙排柱方案下流速均勻度對比

2.3 高度對前池流態影響的模擬分析

各高度方案下的流速分布均勻度值如圖4所示。從圖中可以看到，隨著立柱高度的增加，機組進口處的流速分布越均勻，立柱高度從0.2H增大到0.8H后(擴大4倍高度)，流速分布均勻度僅僅提高了4%，表明高度并不是影響整流效果的關鍵因素，且高度增高也會相應增加工程成本，在現場實際涉及施工過程中，應該綜合考慮經濟、合理性。

圖3 D6/S3流線、流速分布圖

圖4 高度對流速分布均勻度的影響

圖5 尺寸對流速分布均勻度的影響

2.4 尺寸對前池流態影響的模擬分析

在最佳立柱位置和高度的前提上，改變立柱的尺寸，得到了各機組進口處的流速分布均勻度對比值，如圖5所示。從圖中可以發現：C3型立柱尺寸下，機組進口處的流速分布均勻度最大，達到85.2%，C4組次之，C1/C2組未達到80%，這說明立柱尺寸是影響流速分布均勻度的重要因素之一，且b=0.0375B時，是最佳尺寸方案。再次基礎上，對流線及流速分布圖進行分析，如圖6所示。

圖6 C3方案流線、流速分布圖

可以看到，相比無整流措施時，其進水流態較好且池中流速分布更均勻，表明在此方案下的整流效果較好。

2.5 形狀對前池流態影響的模擬分析

在橢圓K1、三角形K2、六邊形K3形狀方案下的流速分布均勻度對比如圖7所示。從圖7反應的情況來講，立柱形狀對于前池的整流效果不是關鍵因素，3種方案的整流效果大致相同，在實際設計施工過程中主要考慮施工方便性，故建議優選立柱形狀為方形。

圖7 形狀對流速分布均勻度的影響

3 結語

(1)雙排立柱對進水前池的整流效果優于單排立柱。

(2)立柱位置和立柱尺寸為影響整流效果的主要因素，且距出口的最佳位置為0.48B，最佳立柱截面尺寸為0.0375B。

(3)立柱的高度和形狀是影響整流效果的次要因素，在設計施工時重點考慮經濟性和施工方便性，且建議選擇方形立柱形狀。