周亚军，陈 懿，陶思远

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024 )

0 引 言

为清除附着在拦污栅上的杂物，泵站一般会布置清污机，清污机架设在桥墩上，对于多机组泵站，各流道内均需架设清污机桥墩。若清污机桥墩过度靠近进水流道，会对进水流态产生一定的影响，除此之外，由于水草等污杂物的堵塞，造成水泵进水流道两侧进口水位不等，明显加大了水泵的提水扬程，消耗电机功率，降低水泵装置效率，诱发水泵机组振动，影响泵站的安全与稳定运行[1]。本文所述侧向进水刘老涧抽水站在远离泵房的引渠中设计清污机桥和安装清污设备，为水泵提供良好的进水条件。

目前，有一些学者对前池进水池的不良流场进行过整流研究[2-4]，例如文献[5]中通过布置导流墩的方法改善进水流道进口断面上的流速分布，文献[6]中通过对前池的模拟给出了底坎整流形式，底坎高度为水深1/3时整流效果较好，除此之外文献[7-10]也通过不同形式的整流方法、组合型整流措施等对泵站前池进水池流动特性进行了优化。但是目前对于架设清污机桥后影响泵站水力特性研究的论文相对较少，并且本文所述泵站属于侧向进水泵站，水流经50°大角度拐弯进入引渠直段后会产生复杂的流动，因此，引渠中清污机桥墩的布置位置的选定需要数据论证，基于此，结合引渠和前池等进水条件的现场调查，根据泵站进水设计水工布置的现状，通过数值模拟的方法进行引渠流动特性分析，比较分析不同清污机桥墩布置位置对泵站水力特性的影响研究，为相关的工程设计提供一定的参考。

1 计算模型及数值模拟

1.1 数值模拟范围

本文数值模拟范围从引渠弯段进口开始，到簸箕形进水流道出口延伸段结束，包括如下6个部分。

(1)弯段进水部分。弯段河道为刘老涧进水条件数值计算的进口段，从京杭大运河取水，梯形断面，底宽60 m，边坡系数m=1∶2.5，河底高程为11.5 m，经50度拐弯后与引渠直段相接。

(2)引渠直段部分。引渠直段部分上游与弯段进水部分相接，下游与泵站前池相连，断面为梯形，河底宽度保持不变，河底高程为11.5 m，底宽60 m，边坡系数m=1∶2.5。

(3) 前池部分。前池上接引渠直段，长度35 m，边坡系数m=1∶2.5，采用=1∶10底坡，河底高程从11.5 m逐渐下降到8.0 m。

(4) 翼墙及隔墩部分。由于采用了圆弧形直立重力式挡土墙，翼墙及隔墩部分的进口两侧为弧形，底部高程8.0 m，直接与矩形隔墩部分相连，内设泵房中隔墩延伸段和簸箕形进水流道中隔墩的延伸段，进口呈15°角后倾。

(5)簸箕形进水流道部分。簸箕形进水流道与翼墙及隔墩部分相连。

(6)出口延伸段。进水流道出口延伸段为同心圆管，是根据数值计算需要设置的，目的是使得计算域的出口远离进水流道的出口，使水流得到充分发展，保证其流动状态不再影响数值计算结果。

1.2 泵站基本参数

在该泵站CFD数值计算过程中，采用与实验室中进水建筑物水工模型试验相同的方法，根据相似换算，计算采用模型进水设计，开展CFD仿真计算与流态分析和性能预测，在提高计算精度和计算效率的同时，也便于与相关类似的水工模型试验结果进行对比。

如图1所示，为该泵站平面图，按平面图建立三维几何，包括引渠、前池、簸箕形进水流道与出口延伸段。在该抽水站进水设计数值分析中，除了在Z方向上给出了不同水深处的引渠水平剖面的流态，还在X和Y方向上抽取了许多引渠和进水流道中的典型剖面进行流场分析，为叙述方便，图1给出了这些典型剖面的位置示意图。X坐标的正方向指向出水侧，Y坐标的正方向指向南方，Z坐标的正方向从渠底指向水面。在X方向上，选取了引渠弯段结束的直段进口断面、前池进口断面、前池出口断面和流道进口断面。在Y方向上，分别选取了对应于每个进水流道左右中间对称的两个剖面，依次为南一至南八。在Z方向上，对应于设计水位15.85 m工况，给出了水面下0.5、2.0、4.0、5.0 m和距渠底0.5 m深剖面上的流场。图2为增设清污机桥墩平面布置图。

图1 该抽水站进水设计典型剖面示意图

图2 清污机桥桥墩布置示意图

1.3 湍流模型及边界条件

对于泵站前池、进水池模拟，参考文献[11]后选择标准k-ε模型配合标准壁面函数进行模拟。采用水力损失衡量网格无关性，经网格无关性检查后确定水力损失不随网格增加再发生改变后确定网格总数。考虑到标准壁面函数对y+的要求30～300，考虑此对网格进行划分，经计算后各部件最大y+约为210，满足使用标准壁面函数要求[11]。

(1) 进口边界条件。在泵站进水建筑物内部流动三维紊流数值计算中，计算区域的进口设置在引渠进口，按速度条件给出。

(2)出口边界条件。计算流场的出口设置在离进水流道出口足够远处的直管上，按出流条件给定，并假定计算域出口截面上流动方向的坐标是局部单向的，流动已充分发展，下游流动不再对上游产生任何影响。即：

(1)

(3)固壁边界条件。引渠的边壁和底部、前池边壁和底部、翼墙、隔墩、进水流道的壁面等均按固壁处理，满足不滑移条件。采用壁面函数法处理近壁区的紊流流动，从而避免将紊流模型直接用到近壁区，在黏性底层内不布置任何节点，壁面上的切应力仍然按第一个内节点与壁面上的速度之差计算，以减少计算机内存占用和提高计算效率。

(4)自由水面。进水池的自由水面上通常有风成剪切应力，还有与大气层的热交换等，物理机制相当复杂。本文忽略风所引起的自由水面上的切应力及与大气层的热交换，自由水面的速度和紊动能均按对称平面处理，紊动能耗散率则按计算单元的中心至自由表面的距离及该单元的紊动能量来确定。

1.4 水力设计优化评价指标

(1)轴向流速分布均匀度。轴向流速分布均匀度采用式(3)进行计算：

(2)

(2)加权平均偏流角。加权平均偏流角采用式(3)进行计算：

(3)

式中：uai为进水流道进口断面上计算单元的轴向流速；n为进水流道进口断面上的计算单元数；uti为进水流道进口断面上计算单元的切向流速；n为进水流道进口断面上的计算单元数。

2 结果分析

2.1 无清污机桥墩数值模拟结果

2.1.1 进水流道流场分析

图3给出了数值计算获得的引渠设计水位15.85 m、泵站抽水流量为157 m3/s工况下从引渠直段开始的水体质点迹线图，描述了从引渠入口向流道流动的过程中，可清楚地看到水体质点的轨迹和速度变化情况。图3表明，水体在经过引渠直段进入前池后，由于水体向泵站进口汇聚，在前池和翼墙两侧形成了低速回流区，南北两侧的回流区基本对称。

图3 引渠水位15.85 m水体质点轨迹图

2.1.2 进水流道水力特性分析

(1)流道进口断面流速分布特性。表1给出了该抽水站簸箕形进水流道进口断面的流速分布特性，从进口断面轴向流速分布均匀性和入口偏流角两方面来讲，虽然数值比较的差异很小，但南端第一台机组对应的进水流道的水力性能相对较差，原因是引渠进口段弯道的影响，前池主流偏向北侧。

表1 进水流道进口断面流速分布特性比较

(2)进水流道水力损失。该抽水站4台机组对应的簸箕形进水流道的水力损失平均值为0.183 m。在全泵站引渠进水条件下，显然没有单独进行的水泵装置全流道数值计算或模型试验中的进水条件好，与相同流量下的水力损失相比，此时的流道水力损失增大0.015 m。

2.2 增设清污机桥后数值模拟结果

如图4为桥墩距前池翼墙进口分别为55、90、130、160 m等不同距离平面图，清污机桥墩距前池翼墙进口的距离为55 m时，清污机桥墩十分靠近前池进口；当清污机桥墩距前池翼墙进口的距离达到160 m时，清污机桥墩已接近引渠直段进口。

2.2.1 进水流道流场分析

从图5可看到，由于在引渠中设置清污机桥，桥墩对水体运行形成阻碍，在桥墩的迎水面流速升高，两桥墩之间的流速明显升高，进入前池后又降低，直到进入进水流道向出水口流动时，流速又不断升高；由于桥墩的影响，在桥墩的下游形成了较长的尾迹，一直延伸进泵站前池。又由于泵站前池直立翼墙90度转弯收缩的原因，在前池的两侧有大区域的回流区。清污机桥墩距前池翼墙进口为90 m时，与55 m时的情况相比，引渠中的清污机桥墩对泵站进水流态有所改善，但桥墩引起的尾迹仍然影响泵站前池流态；随着清污机桥向弯段方向移动，离泵站翼墙的距离越来越远，清污机桥墩引起的进水流态变化对泵站进水条件的影响越来越弱。

图4 清污机桥墩不同布置形式

图5 水体质点轨迹图

2.2.2 进水流道水力特性分析

表2、表3给出了在进水池水位15.85 m、泵站抽水流量达157 m3/s、清污机桥距泵站翼墙进口55、90 m计算工况下，刘老涧抽水站簸箕形进水流道进口断面的流速分布特性。

表2 55 m计算工况下进水流道进口断面流速分布特性比较

表3 90 m计算工况下进水流道进口断面流速分布特性比较

比较表1与表2、表3可看到，由于引渠中清污机桥的加入，桥墩对流态的影响也反映到流道的进口流场中，流道进口断面轴向流速分布均匀性变差，但在相同工况下，清污机桥设置在距泵站翼墙进口90 m时的流场，较55 m时有一定的改善，此时，流道进口断面轴向流速分布均匀度均值为83.23%，加权平均流角均值增加到19.726°。

2.2.3 进水流道水力损失

根据刘老涧抽水站进水设计数值计算结果，可应用后处理程序，抽取出四台机组对应的4个簸箕形进水流道进、出口断面上计算结点的流速值和压力值，应用伯努里方程，即可计算出该流量下的进水流道的水力损失值。计算结果见表4。

表4 水力损失汇总表 m

结果表明，在相同的进水条件下，随着清污机桥距泵站翼墙进口距离增大，刘老涧抽水站4台机组对应的簸箕形进水流道的水力损失平均值逐渐减小。与引渠中没有清污机桥时相比，流道平均水力损失增大量也逐渐减小，清污机桥距泵站翼墙进口为160 m时，清污机桥墩对流道进水流态和水力损失的影响已经十分轻微，表明清污机桥的增加对泵站进水条件的影响已基本消失。

3 结 论

(1)当清污机桥墩距前池翼墙进口为55 m时，引渠中的清污机桥墩对泵站进水流态影响显著。进水流道出口断面轴向流速分布均匀度均值为92.61%，加权平均流角均值为3.542°；簸箕形进水流道的平均水力损失从无清污机桥时的0.183 m增大到0.206 m。

(2)当清污机桥墩距前池翼墙进口为90 m时，与间距55 m时的情况相比，引渠中的清污机桥墩对泵站进水流态有所改善。流道出口断面轴向流速分布均匀度均值为93.01%，加权平均流角均值为3.434°；簸箕形进水流道的平均水力损失为0.200 m。

(3)随着清污机桥向弯段方向移动，离泵站翼墙的距离越来越远，清污机桥墩引起的进水流态变化对泵站进水条件的影响越来越弱。数值计算表明，当清污机桥距泵站翼墙的距离达到160 m时，4台水泵机组簸箕形进水流道的平均水力损失已降低到0.171 m；随着清污机桥逐渐向泵站下游移动，簸箕形进水流道流态持续得到改进，表明清污机桥的增加对泵站进水条件的影响已基本消失。

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