李 鹏，纪风强

（天津城建设计院有限公司，天津 300122）

0 引言

传统的泵站设计依据大多是来自于规范、手册以及设计经验，基本能满足泵站的正常运行，但泵站各部分尺寸均对进水流态及水力性能有重要的影响，传统设计往往难以使水力条件达到最优，随着计算流体力学（CFD）和计算机技术的飞速发展，有必要运用数值模型模拟水流在泵站内具体的流动情况[1]，从而为泵站的进水流道优化设计和运行管理提供参考依据。

关于泵站水力性能研究，原先常采用分段计算水力损失的方法，准确性较低；而后发展为主要依靠模型试验进行分析，通常用流速仪测量分布点流速或应用PIV及LDA进行流场显示；近年来，随着计算机性能的提高和数值计算方法的改进，采用各种软件对研究对象进行的数值模拟研究发展迅速，提高了分析效率且能研究更精细的流场。例如，刘超等[2，3]采用二维紊流模型对泵站前池进行了数值模拟，较好地预报了底坎整流的流场结构，并较准确地计算了底坎后的旋长；周龙才等[4]应用正交曲线坐标系下的二维水深平均数学模型对大型泵站的引河前池流场进行了数值模拟；徐辉[5]使用Realizable k-ε模型和VOF多相流方法，运用SIMPLIC算法，隐式求解进行三维湍流数值模拟计算，分析得出该计算模型满足定性分析前池流场的要求；鲁俊[6]采用RNG k-ε模型和VOF多相流方法对泵站前池水力特性进行三维湍流数值模拟计算，结合物理模型试验对泵站前池水利特性进行分析研究，验证了该数学模型是可靠的；谢省宗等[7]应用标准k-ε模型和VOF多相流方法对泵站前池非定常平面流场进行了模拟，计算结果与实测资料基本吻合，可以较好地模拟大型泵站的前池流态；于永海等[8]采用Realizable k-ε紊流模型，以导流板设置位置、倾斜角度与板下悬空高度为因子拟定多个数值试验工况，通过数值模拟分析比较整流效果，给出了较合理的优化后导流板布置方案。

本文以天津市滨海新区某雨水泵站实际设计工程为研究对象，构建泵站几何模型，基于计算流体力学技术，开展对上述几何模型的数值模拟，分析泵站内流场形成的机理，以此为基础，进一步提出相应的工程措施方案，对泵站内水力性能予以优化，并对比优化前后泵站内进水流场，运用模型试验测定典型工况下原始设计和改进设计后的数据，验证数模计算方法和机理分析正确性，为泵站尺寸布置及节省建设成本提供水力性能角度的技术支撑。

1 泵站概况

天津市滨海新区某雨水泵站规模为20.30m3/s，设置8台泵，单泵流量2.54m3/s，泵站扬程5.50m，泵站进水管为4排内径2.60m的钢筋混凝土圆管，泵站原设计的首层平面图及剖面图见图1与图2。

2 数学模型的建立

2.1 控制方程

针对泵站处于复杂的三维湍流状态的特性，非稳态的连续方程和N-S方程仍是适用的控制方程。

图1 雨水泵站首层平面布置图

图2 雨水泵站剖面图

连续方程为：

动量守恒方程为：

式中，ρ为密度；t为时间；u、v和w为速度矢量在x、y和z方向的分量；p为流体微元体上的压力；μ为动力粘度；Su、Sv和Sw为动量守恒方程的广义源项。

本文在笛卡尔坐标系下，从三维不可压N-S方程出发，建立基于 RNG k-ε湍流模型[9]。

RNG k-ε模型对应的k方程和ε方程分别为：

与标准 k-ε模型比较，RNG k-ε模型通过修正湍流粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。

2.2 泵站几何形体的建模及网格划分

运用三维几何建模软件Solidworks，按1：1尺寸比例绘制上述泵站几何模型，将绘制成的几何模型转为SAT格式，导入网格划分软件Gambit进行网格划分。由于进水池的几何形状比较复杂，网格采用适应性好的四面体网格，数目为126 322个。绘制的几何模型及网格划分图分别见图3与图4。

图3 泵站几何模型

图4 泵站网格划分图

2.3 边界条件、初设条件及算法

为减少运算量，以中间连通孔洞中心断面为对称面，采用对称（symmetry）边界条件，对泵站的一半进行模拟。

进口边界条件是指在进口边界上指定流动参数的情况。常用的流动进口边界包括速度进口边界、压力进口边界和质量进口边界。为保证来流条件尽可能均匀，减小其对后面流场的干扰，本文中计算流场的进口边界采用速度进口（velocity-inlet）边界，取在进水池上游较远处，认为来流已是充分发展的紊流，较均匀。

出口边界条件是指在指定位置（几何出口）上给定流动参数，包括速度、压力等。出口边界条件需与进口边界条件联合使用。本文中计算流场的出口边界采用自由出流（outflow）边界，取水泵吸水管出口处，认为出口流动已成单向状态，计算区域的解不受出口下游的影响，视为自由出流。

由于进水池内的流速不快，水面波动不大，因此采用静水压力假定，且自由表面简化为对称边界条件（symmetry）。

图5为进水池中的固体壁面（包括边壁、吸水管及其出水管等）采用标准壁面函数法进行边界设定，并在固体边壁处规定无滑移条件。边界条件设置见图5。

图5 泵站边界条件设置示意图

方程离散时，用有限体积法将方程的积分形式转化为代数方程组。采用一阶迎风格式，隐式求解，速度和压力方程用SIMPLE算法耦合，紊流模型采用RNG k-ε模型，依据文献[10]确定本次模拟湍动能k为0.028，湍动耗散率ε为0.004 2。

3 原设计泵站的数值模拟结果分析

3.1 流速均匀度

根据美国ANSI/HI泵标准，流速均匀度宜小于10%。通过截取水泵吸水口断面，得到各水泵水流进入叶轮前的断面流速模拟结果，由结果可知，1#～4#水泵流速均匀度偏差自1#至4#逐渐减小，1#水泵吸水口断面流速均匀度偏差超出10%，2#～4#水泵吸水口断面流速均匀度偏差均处于10%以内。表明1#水泵进水口处流态不满足要求，具体详见表1及图6。

表1 优化前各水泵吸水口处流速均匀度模拟结果

图6 优化前各水泵吸水口速度云图

3.2 典型断面流态分析

对泵站典型断面流态进行CFD数值模拟分析，结果如图7～10所示。

由图7可知，水流通过格栅井后，过流断面在垂直方向扩大，泵站内在斜坡后出现明显的竖向漩涡，此漩涡导致水泵的入流不能以最短的路径直接高效地进入水泵吸水口，而是经自上而下流动后进入水泵吸水口。

由图8可知，水流进入隔墙之前，泵站内存在明显的复杂旋流，左侧1#、2#水泵对应的流道内在扩散角后有明显的旋流。另外，由于吸水口距离后壁有一定的距离，可以看到吸水口附近流线撞向后壁然后折返进入吸水口内，出现了尺度较大的漩涡。

图7 X轴典型截面速度矢量图

图8 Y轴典型截面水流迹线图

图9 Z轴典型截面速度矢量图（前视图）

由图9可知，该截面流速存在大量的竖向流动，尤其是泵站底板至水泵吸水口范围内（虚线所框位置）存在大量的竖向流动，表明该截面流体不能实现高效地进入水泵的流态。

由图10可知，水流进入水泵前的流速并不均匀。

图10 Z轴不同截面速度矢量图（侧视图）

4 水力优化措施

原始设计方案泵站内流态经过模拟，原设计泵站斜坡后出现较大尺度旋流，直接影响水流高效直接的进入水泵，且由于水泵吸水喇叭口与后壁有一定距离，进入水泵的水流在此区域内路径急剧变化，在吸水喇叭口后易形成旋流。因此，针对原设计方案上述不利的布置，提出以下优化措施：

（1）在水流流出格栅井且漩涡未充分发展形成前的位置设置挡水墙以稳定进水流态；

（2）缩短水泵喇叭口与后侧墙壁的距离以减少吸水口域内水流折返，并缩短集水池长度以减少入流干扰；

（3）设置背墙倒角、防旋板及缩小进水口直径，以减少入流干扰和漩涡现象，实现水流平稳加速和平滑转向。

优化前后具体设计图如图11与图12所示（取泵站的一半）。

图11 优化前泵站设计图

图12 优化后泵站设计图

5 优化后设计泵站的数值模拟结果分析

5.1 流速均匀度

对优化后水泵吸水口流速进行模拟，由模拟结果可知，1#～4#水泵平均速度相差极小，均处于1.80m/s左右。流速均匀度偏差自1#至4#逐渐减小，1#最大，为9.84%，1#～4#水泵吸水口断面流速均匀度偏差均处于10%以内。表明优化后，设计水泵进水口处流态满足要求，具体详见表2及图13。

表2 优化后各水泵吸水口处流速均匀度模拟结果

图13 优化后各水泵吸水口速度云图

5.2 典型断面流态分析

对优化后的泵站典型断面流态进行CFD数值模拟分析，结果如图14～17所示。

由图14可知，优化后，格栅井后的水流流向显著地发生变化，底坡后的竖向漩涡消除，水流不再绕流漩涡后自上而下进入水泵吸水口，而是沿水泵底部流入水泵吸水口，使水流以最快捷的路径进入水泵。

图14 X轴典型截面速度矢量图

图15 Y轴典型截面水流迹线图

图16 Z轴典型截面速度矢量图（前视图）

由图15可知，优化后，渐缩型进水口的水流经过挡水墙后，比较均匀，没有出现明显的漩涡与回流。另外，设置背墙倒角及防旋板，并缩短水泵喇叭口与后侧墙壁的距离后，泵池内水流流态良好。

由图16典型截面速度矢量图（前视图）可知，优化后，自泵站底板至水泵吸水口范围内2#～4#水泵未出现明显竖向水流（虚线所框位置），其余部分虽存在自下而上的竖向流动，但对水流入流影响不大，即显示该方案内水流可高效的进入水泵吸水口。

由图17不同截面速度矢量图（侧视图）可知，优化后，水流进入水泵前的流速变得比较均匀。

图17 Z轴不同截面速度矢量图（侧视图）

6 优化后设计泵站的投资对比

在采取相应的优化措施后，进水流道中出现的明显的漩涡与回流现象、大量的竖向流动现象以及水体严重歪斜现象基本消失，进水流道的流态相比原设计得到极大的改善，大幅提高了泵站的水力性能；且优化后，泵站进水管直径、泵站构筑物尺寸以及占地面积均有大幅减小，泵站建设费用也相应降低，具体如下：

（1）进水管道管径由4×d2 600mm优化缩减为4×d2 400mm，节省投资16.43万元。

（2）优化缩短了集水池长度，由原设计的19 450mm缩减为16 450mm。

（3）将格栅井宽度由单格2 000mm缩减为单格1 600mm（共8个单格），格栅井及进水闸井的总宽度由20 300mm缩减为17 100mm（图11及图12所示的格栅井及进水闸井宽度变化由9 200mm优化缩减为7 600mm为半幅泵站尺寸变化，尺寸不含外墙厚度以及两个半幅泵站间中隔墙厚度）。各项指标比较内容详见表3。

由表3可知，优化方案相较原设计方案，泵池占地面积减少105m2，降低幅度达到10.9%；建设投资费用较原设计方案共节省395.11万元（节省占地面积费用未计入），降低幅度达到11.2%。

7 结语

本文以实际的雨水泵站设计工程为研究对象，应用三维RNG k-ε紊流模型对泵站内水力特性进行了数值模拟，建立了包括几何建模、网格划分、边界条件给定、求解控制定义等在内的CFD分析模型，最终模拟泵站内的流场分布，并以计算结果为依据，对泵站内部流场进行机理分析；在机理分析的基础上，提出相应的工程措施方案，对流场予以优化；将改进设计和原设计的计算结果进行对比，观察改进设计的改进效果。通过采取系列优化措施，不仅有效改善了泵站内进水流态，且减小了池体构筑物尺寸，大幅降低了泵站投资。

雨水泵站作为区域雨水集聚及转换的重要水工构筑物，泵站内部各部分尺寸对泵池内水流流态及水力性能起到重要的影响，最终影响到水泵性能的有效发挥，同时不合理的内部尺寸布置，会造成泵站建设成本、占地增加。据了解，目前相当大比例的雨水泵站存在进水流态不佳的问题，另外随着城市内涝标准的提高，尚有大量雨水泵站将按规划实施，因此CFD技术在现状泵站改造及新建泵站工程改善性能及降低投资、占地等方面，具有广阔的应用与市场前景。

表3 原泵站设计方案与优化设计方案指标对比表