蘇州某澇區排澇泵站進水流態研究

摘 要：水泵的進水條件極易受到前池和進水池池內流態的影響，當池內流態變得紊亂，會降低水泵效率從而導致排水效率降低，進而使洪水風險升高，并且對周圍的地區造成嚴重破壞。本文以蘇州某澇區治理工程為研究對象，利用數值模擬軟件對該工程在不同工作水位下進水泵站進水流態進行分析，計算該泵站在不同運行水位下的流速均勻度和速度加權平均角。結果表明：對不同的運行水位來說，前池出口斷面和進水池進水管前斷面的均勻性和平滑性都很差。對未進行流態優化的泵站來說，其前池和進水池進水流態在不同的運行水位下，流態都比較紊亂，可根據具體泵站工程要求采取建造導流墩或隔板等措施來對泵站的前池和進水池進行流態優化。該研究對同類泵站研究進水流態具有指導意義。

關鍵詞：泵站；數值模擬；進水流態

中圖分類號：TV 675" 文獻標志碼：A

排澇泵站是為提高農田抗御自然災害的能力，保證農業生產而興建的重要水利設施。排澇泵站工程的主要功能是排澇防范和減輕農田受淹及缺水災害。泵站的進水效率是排水系統中至關重要的因素。因此國內針對進水泵站的分析一直是研究熱點。學者黃澤[1]用三維數值模擬方法對泵站進水流態進行研究，該研究對提高泵站穩定性有十分重要的指導意義。學者常鵬程等[2]利用三維數值模擬軟件對泵站側向進水流態紊亂的問題進行了分析，與未整流的泵站相比，整流后的泵站效率提高了約10%。學者徐存東等[3]研究了多泥沙河流情況對泵站進水流態的影響，利用FLUENT軟件對多種進水泵站開機組合方案下的前池淤泥累積對進水流態影響進行數值分析，該研究為類似條件下的泵站設計提供了一定的參考價值。學者江文[4]基于FLUENT軟件對在彎道水流情況泵站前池引起進水流態紊亂情況進行分析，結果表明可以通過設置導流墩來有效調整彎道水流流向，提供泵站工作效率。學者羅海軍[5]研究了前池和進水池進水流態紊亂對城市排水泵站的影響，結果表明可以通過設置導流墩來改善泵站進水系統水流流態，以此提高泵站的工作效率。

1 工程概況

目前，蘇州市主汛期（6—8月）總降雨量將達到540mm以上，相較往年（504.4mm）偏多，暴雨出現次數多，強度大，對農作物和工農業生產影響較大，部分地區城市出現內澇問題。根據該區域的流域降水特性以及區域歷年受澇情況和實際排澇運行調查資料，主排澇期定為6—8月。因此，選擇蘇州市某澇區作為研究對象，該澇區在生態經濟區的集約發展區，也是蘇州都市圈的重要組成，產業具有較強的發展動力，可以對接蘇州的交通、基礎設施等，成為生態經濟區內重要的產業集聚城市。因此蘇州某澇區治理工程是非常必要的。

2 數值計算

采用有限元軟件對蘇州某澇區排澇泵站的流態進行數值分析，排洪泵站的前池主要用于平順和擴散水流，將引渠和進水池合理地銜接起來，使水流平穩且均勻地流入進水池，為水泵取水提供良好的吸水條件。為了更好地反映實際情況，針對該工程前池不同運行水位進水流態特性進行分析，并對蘇州某澇區排澇泵站進行三維建模。該模型包括3個部分：南引水渠、前池和北引水渠。前池共有4個進水池，進水池長9.6m，寬為3.5m。圖1為示意圖。對模型進行網格劃分，針對關鍵區域（進水口和出水口等）網格進行加密處理，網格選擇六面體網格。在保證模型準確性的前提下，盡可能簡化離散模型。進液體表明與空氣接觸平面設置為symmetry，其他面設置wall。水管出口斷面設置為自由出量。邊界采用無滑動邊界條件。紊流模型為RNG κ-ε模型，模型交界面設置為靜態交接面。在仿真過程中，可能還需要考慮其他因素，例如泵站的運行模式、水流的非恒定性、水體的溫變效應等。通過有限元仿真方法，可以為排澇泵站的設計、運行和維護提供科學依據。

3 選取計算參數

為了更直觀地反映泵站進水流態的特點，分析流速均勻度和速度加權平均角。

流速均勻度是一種參數，用于描述流體的速度分布情況。它反映了流體在管道或流通區域內速度的變化程度。通常是通過比較不同位置處的流體速度來衡量流速均勻度的，以此判斷流體在整個區域內是否分布均勻。流速均勻度可以影響流體在管道、通道或設備中的性能和穩定性，因此在工程和流體力學領域中非常重要。流速分布均勻通常更容易控制和預測，而流速分布不均勻可能導致流體流動不穩定、能量損失或設備損壞。因此，在實際工程中，均勻流速狀態很關鍵。了解流速均勻度可以有助于工程師和研究人員設計和優化流體系統，確保其運行效率和穩定性。

速度加權平均角是一種用于描述流體運動方向的參數。它通常用來分析流體中各位置的速度向量間的關系以及流體的整體運動趨勢。速度加權平均角在進水流態分析中用來描述流體中速度向量的整體方向趨勢，可以量化流體在某一截面上速度矢量的方向分布，反映流體運動的某些特點，分析泵站進水流態的速度加權平均角對優化泵站性能具有重要意義。為了更好地理解和分析流體流動行為，其過程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：Vau為軸向流速分布均勻度；va為平均法向速度；vai為各單元法向速度；vti為各單元橫向速度；θ為速度加權平均角；n為單元數量。

4 計算結果分析

4.1 設計運行水位泵站進水流態分析

設計水位是指在正常運行條件下，泵站進水口的水位高度。這個水位需要考慮泵站的最低有效運行水位和最高安全水位。運行水位是指在實際運行過程中，泵站進水口的實時水位。這個水位可能會受上游來水、下游排水、泵站運行模式等因素的影響。運行水位的波動可能會影響進水流態，例如產生回流、旋渦或流速分布不均。對設計運行水位來說，其泵站橫斷面前池面層、中層和底層的流態非常紊亂，存在面積很大的漩渦區和回流區。靠近1號進水池和4號進水池漩渦逐漸消失，前池內底層3號和4號進水池流態相比，面層和中層更紊亂，回流區域相對較大。

為了更詳細地分析泵站進水流態特性，對不同位置的縱剖面（前池出口斷面位置和進水池進水管前斷面位置）的速度加權平均角和流速均勻度進行計算。前池出口位置計算結果如圖2所示。根據圖2可得，4號進水池的流速均勻度最大，為68.9%，3號進水池的流速均勻度最小，為20.1%。4個進水池流速均勻度差值最小為14.5%，差值最大為48.8%，流速均勻度在4個進水池差值較大，因此流體在整個區域內未呈均勻分布。對該泵站來說，在設計運行水位條件下，前池出口斷面流速均勻性不好。速度加權平均值差值最大可達29.9°，因此其進水流態平順性較差。

根據圖3可得，2號進水池的流速均勻度最大，為75.8%，3號進水池的流速均勻度最小，為55.7%。4個進水池流速均勻度差值最小為3.3%，差值最大為20.1%，與前池出口斷面流體均勻性相比好，但流速均勻度在4個進水池差值較大，因此流體在整個區域內未均勻分布。在設計運行水位條件下，該泵站進水池進水管前斷面流速均勻性不好。其速度加權平均角差值最大為16.2°，因此其進水流態平順性較好。

根據流態分析的結果可知，需要采取優化措施，例如調整進水口的形狀、增加導流結構、改變泵站的運行策略等，以改善進水流態。對設計水位波動來說，需要設置調節設施，例如閘門、溢洪道等，以維持穩定的進水條件。在實際應用中，合理設定設計水位對確保泵站高效、穩定運行至關重要。

4.2 最低運行水位泵站進水流態分析

最低運行水位是指泵站在正常運行條件下所能維持的最低水位。在這個水位下，泵站仍能有效地吸水并保持運行，但通常需要特別注意進水流態，以避免因水位過低而導致的運行問題。對最低運行水位下的泵站進水流態進行分析，保證泵站穩定運行。對最低運行水位來說，其泵站橫斷面前池面層、中層和底層的流態比設計運行水位更紊亂，存在4個回流區，從面層覆蓋到底層，流態極差。

根據圖4可得，1號和2號進水池的流速均勻度最大，為73.8%，3號進水池的流速均勻度最小，為62.5%。4個進水池流速均勻度差值最大為11.3%，流速均勻度在4個進水池差值較大，因此流體在整個區域內未均勻分布。對該泵站來說，在最低運行水位條件下，前池出口斷面流速均勻性不好。速度加權平均角差值最大為23.7°，因此其進水流態平順性較差。

根據圖5可得，4個進水池流速均勻度差值最大為7.6%，差值最小為0.4%，因此流體在整個區域內未呈均勻分布。在最低運行水位條件下，該泵站進水池進水管前斷面流速均勻性較差。其速度加權平均角差值最大為13.1°，因此其進水流態平順性較好。

根據最低運行水位流態分析的結果可知，優化進水口和吸水管的設計，可以減少回流和旋渦的形成。例如，可以增加導流墻或調整吸水管的布局，使水流更順暢地進入泵站。對最低運行水位下流態進行分析，保證泵站能夠在低運行水位條件下穩定運行。

5 結論

為了對蘇州某澇區排澇泵站進水流態進行研究，首先對國內外排澇泵站相關研究進行了總結，簡單介紹了蘇州某澇區的工程概況，其次利用三維數值計算軟件針對該澇區排澇泵站在不同運行水位下的進水流態進行計算，最后得出以下結論。1）對不同的運行水位來說，前池出口斷面和進水池進水管前斷面的均勻性和平滑性都很差。前池內進水流態最紊亂的情況出現在最低運行水位，在最低運行水位條件下，存在大面積的回旋區。2）對未進行流態優化的泵站來說，其前池和進水池進水流態在不同的運行水位下，流態比較紊亂，可根據具體泵站工程，通過建造導流墩或隔板等措施來對泵站的前池和進水池進行流態優化。

參考文獻

[1]黃澤.白屈港泵站進水流態分析及改善措施研究[D].揚州：揚州大學，2023.

[2]常鵬程，楊帆，孫丹丹，等.多機組泵站側向進水前池流態及整流措施分析[J].中國農村水利水電，2021（12）：229-234.

[3]徐存東，王榮榮，劉輝，等.多泥沙河流側向進水泵站開機組合對前池流態的影響研究[J].水利學報，2020，51（1）：92-101.

[4]江文，于建忠，傅宗甫，等.彎道河段下游泵站進水前池流態及整流措施[J].人民黃河，2019，41（4）：83-87，118.

[5]羅海軍，張睿，徐輝.改善城市排水泵站進水流態的試驗研究[J].中國農村水利水電，2019（1）：176-179.