雷 恒，李 颖，罗全胜

(1．黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003；2．小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475003)

雨水泵站前池[1]的水流流态对水泵运行时的效率、汽蚀程度、振动及噪声产生较大影响，不良的流态会严重影响水泵的性能。传统的物理模型试验受到场地限制、人身安全、测量精度等因素影响，所得结果与取值范围有较大出入。随着流体动力学数值模拟技术的快速发展，采用CFD技术能有效地模拟复杂的过程、降低成本、提高精度。国内学者焦建廷[2]通过数值模拟，分析了泵站前池和进水池的水流流态；高传昌[3]等对泵站前池与进水池水流通过数值模拟提出了整流方案。国外学者Rejowski Jr R[4]等、Spence R[5]等对前池结构、进水流态和运行调度等方面提出了很好的建议和措施。本文以孟加拉国Kamalapur雨水泵站为例，建立数学模型和湍流模型，对该泵站前池水流流态进行了数值模拟，并通过水力模型试验加以验证，保证运行时不会发生重要的问题，水流无有害漩涡，并不会对原型泵的运行造成影响。

1 工程概况

Kamalapur雨水泵站位于孟加拉国达卡市东部地区，受纳水体为Segunbagicha河道，受纳水体洪水位为7.09 m(绝对标高)，汛期最高、最低及正常水位分别为6.22、4.0和4.5 m，如图1所示。泵站设置3台轴流泵(预留1台备用泵位)，单泵设计流量5 m3/s，进水采用明渠进水，长度约70 m，进口处设自动除污格栅；出水消能池1座，4根DN1 500 mm出水钢管。

2 物理模型与数值模拟

2.1 物理模型

泵站模型的整体布置在试验场按原地形制作，主要包括原河道、引渠、泵房等。根据泵站参数及任务的特点，采用正态整体模型，实际模型设计采用几何比尺为Lp/Lm=λL=6，模型按弗劳德准则设计。模型雷诺数及模型韦伯数经计算分别为4.2×105和9.714×103，模型尺寸300 mm，最小水深超过150 mm，泵吸入口直径>80 mm，符合国外标准[6]《水泵进水设计》第9.8.5.3条要求。模型采用断面法制作地形，泵室部分采用有透明机玻璃制作，河床采用混凝土砂浆硬化，砂浆厚度达到4 cm。边墙采用500 mm×240 mm砖墙砌筑，内外墙面使用混凝土砂浆粉面。

图1 Kamalapur雨水泵站布置图(单位：m)Fig.1 Layout of Kamalapur rainwater pumping station

2.2 计算区域

计算区域包括引水渠和前池容纳水体，限于篇幅，以正常水位单泵运行工况为例，网格数110万左右，如图2(a)、2(b)所示。CFD分析软件采用Fluent，压力和速度耦合方式采用SIMPLE算法，压力、速度、湍动能均采用二阶迎风格式离散计算[7]。前池计算区域及分析断面如图2(c)所示，其中X表示横断面，Y表示纵剖面，Z表示水平剖面，取前池进口底部为坐标原点(0，0，0)，分析选用前池进口横断面X=500 mm，纵剖面Y=200 mm、Y=500 mm，水平剖面Z=2 000 mm、Z=3 000 mm。

图2 计算网格区域及分析断面(单位：mm)Fig.2 Computational grids and cross-section for analysis

2.3 控制方程

泵站前池水流属复杂的三维紊流流态，假定在定常、不可压流动条件下，采用雷诺时均(N-S)方程模拟水流，并利用标准k-ε双方程使方程组封闭[8,9]。方程组如下：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

2.4 边界条件

(1)进口边界。假定k和ε均匀，以流速分布为进口边界条件，k=0.003 75u2in、ε=k1.5(0.4H0)，其中uin为进口平均流速；H0为水深。

(3)考虑到前池水面随时间变化不大，自由水面采用刚盖假定。

(4)壁面条件计算采用标准的壁面函数。

3 计算结果及分析

通过CFD数值模拟，得到了引水渠和前池流场分布情况，分别分析如下。

3.1 引水渠水力特性分析

从图3(a)可知，整个引水渠的表面最大流速0.134 m/s，流速比较缓慢。引水渠进水口表面由于断面的扩大，存在回流区域，从图3(b)可以看出，回流高度27.14 cm，约占进口高度的1/2。通过模型试验，如图3(c)所示，进口段受主河道边界条件影响愈加凸显，流态愈不平稳，回流高度约为26 cm，主流偏右更加明显，右岸翼墙处绕流漩涡深度约20 cm。计算结果与试验结果相近，但引水渠进口漩涡较明显，流态不稳定。

图3 引水渠表面流速和流态分布图Fig.3 Velocity and flow regime distribution graph of approach channel surface

3.2 前池水力特性分析

从图4(a)可知，单泵运行时在前池闸门前存在一个漩涡区域，在高度上约占前池进口高度的1/3。由图4(c)和图5(a)(Z=2 000)可知，在前池表面存在2个表面漩涡，但2个漩涡并不是完全对称的，一个尺寸较大，另外一个尺寸较小，原因可能是前池闸门进水时的流态分布不均造成的。随着水深的增加，此漩涡逐渐消失，在喇叭口附近水流近似于垂直向池底流动，如图5(b)(Z=3 000)所示，所以该漩涡不会对喇叭口附近的流态产生明显的影响。模拟计算时，参考压力的位置选择在前池进口水面处，参考压力值为101 325 Pa。从图5(c)、5(d)知，漩涡中心的压力明显高于汽化压力，说明流速小，漩涡强度很小，不会产生气蚀现象。

图4 前池流态分布图Fig.4 Flow regime distribution graph of the forebay

图5 前池喇叭口不同水平剖面流态和压力分布图(压力单位：Pa)Fig.5 Flow regime and pressure distribution graph of different horizontal section of forebay bell mouth

由图6(a)～6(c)可知，前池喇叭口附近左右侧附壁各有一个漩涡沿喇叭口是对称的，但在靠近导流墙附近此漩涡变小，逐渐消失，由图6(d)可知漩涡中心的绝对压力高于汽化压力，说明漩涡强度很小，流速也很小，不会产生气蚀现象。由图6(e)、图6(f)可知，在导流墙后部壁面处存在一个漩涡，但是此漩涡紧贴在壁面附近，尺寸较小，对喇叭口附近的流动影响较小。

从以上分析可知，在前池喇叭口附近壁面处存在着5个漩涡，表面漩涡最大，侧附壁漩涡次之，后附壁漩涡最小，但这些漩涡在喇叭口附近均消失，所以不会对水泵装置性能产生影响。

图6 前池喇叭口左右侧壁及后侧壁流态分布图(压力单位：Pa)Fig.6 Flow regime distribution graph of lateral wall and posterior wall of forebay bell mouth

4 结 语

由数值模拟计算结果可知，Kamalapur雨水泵站正常运行情况下，整个引水渠和前池内流态分布较好，前池段的吸水管后泵室水面未出现明显有害漩涡，不会对水泵装置的运行性能产生明显的影响，喇叭口在径向、垂向进流状况基本均衡，满足设计要求。

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[1] 张景成,张立秋. 水泵与水泵站[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.

[2] 焦建廷. 灰埠泵站前池和进水池流态的数值模拟[J].中国农村水利水电,2007,(8):123-125.

[3] 高传昌,刘新阳,石礼文,等. 泵站前池与进水池整流方案数值模拟[J].水力发电学报,2011,30(2):54-59.

[4] Rejowski Jr R, Pinto J M. A novel continuous time representation for the scheduling of pipeline systems with pumping yield rate constraints[J]. Computers and Chemical Engineering 2008,32(4/5):1 042-1 066.

[5] Spence R, Amaral-Teixeira J. Investigation into pressure pulsations in a centrifugal pump using numerical methods supported by industrial tests[J]. Computers & Fluids，2008,37:690-704.

[6] ANSI/HI 9.8-1998，American National Standards Institute.Pump Intake Design[S].

[7] 王福军. 计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[8] 李 礼,张根广,华维娜,等. 南迪普火电厂循环水泵站进水流槽水流特性三维数值模拟[J].中国农村水利水电,2011,(1):160-163.

[9] 卢春晖,张永丽,唐剑韬. 泵站前池水力性能的数值模拟[J].流体机械,2012,40(7):20-23.