Rampura雨水泵站进水前池水流特性数值模拟研究

雷 恒，李 颖，高新江，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； 3.中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610065)

雨水泵站进水前池[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技术能有效模拟复杂的过程、降低成本、提高精度。国内学者陈上志等[2]通过数值模拟，分析了泵站进水池的水流流态；高传昌等[3]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Cheng B等[4]、Constantinescu G S等[5]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Rampura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[6]。

1 工程概况

Rampura雨水泵站位于孟加拉国达卡市东部地区，泵站受纳水体为Begunbari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5.5、2.5和3.5 m。泵站设置5台轴流泵，单泵流量Qp=5 m3/s，进水采用明渠进水，长度约76 m，进口处设自动除污格栅，出水消能池1座，5根DN1 500 mm出水钢管[6]。见图1。

图1 Rampura雨水泵站布置图

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[6]。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，泵吸入口直径大于80 mm，符合国外标准[7]《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，泵室部分采用有机透明玻璃制作，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[6]。

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104×104左右，见图2(a)、图2(b)。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[8]。前池计算区域及分析断面见图2(c)，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。

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[9-10]。方程组如下：

图2 计算网格区域及分析断面

连续方程：

动量方程：

k方程：

ε方程：

2.4 边界条件

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，得到引水渠和前池流场分布情况，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0.20 m/s，流速比较缓慢。引水渠进水口表面由于断面的扩大，进口左岸有绕流现象，右岸有回流，该区域从引水渠底一直延伸到表面，且漩涡强度很小。通过模型试验，见图3(b)，进水口左侧翼墙处稍有不明显且不连续的涡流；随着水位降低，进水口左侧翼墙处表面涡纹强度增加，左侧的扰流强度及范围逐渐增强，低水位时偶见2类涡旋，计算结果与试验结果相近。

图3 引水渠表面流速和流态分布图

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流态分布比较平顺，在高度上约占前池进口高度的1/3。由图4(b)和图4(c)(Z=2 000)可知，在前池表面存在两个表面漩涡，但两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，见图5(e)(Z=3 000)，所以该漩涡不会对喇嘛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(d)可知，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 前池及喇叭口不同水平剖面流态和压力分布图(压力单位：Pa)

图5 前池喇叭口左右侧壁及后侧壁流态分布图(压力单位：Pa)

由图5(a)～图5(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5(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5(e)～图5(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，表面涡最大，侧附壁涡次之，后附壁涡最小。这些漩涡在喇叭口附近消失且漩涡中心的绝对压力明显高于汽化压力，漩涡强度很小，不会产生气蚀，所以对泵运行性能没有影响。

4 结 语

由数值模拟计算结果可知，Rampura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。