基于流道进流指标分析的大型泵站进水池优化调度研究

韩晓维，刘 云，孟金波，屠兴刚

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.杭州市南排工程建设管理处，杭州 310019)

0 引 言

进水池是泵站的重要组成部分，其主要作用是为水泵正常高效工作提供稳定良好的进水流态[1]，对于流态复杂的大型泵站，辅以物理模型试验，协助确定有关参数和尺寸[2]。进水池水流流态的好坏对于水泵的稳定性、效率和空化性能产生直接影响[3]，若进流流态不佳易在水泵内部形成较大的压力脉动和振动[4]，因此目前对进水池内流态的研究主要侧重进水池体形及相关整流措施的研究，所选取的工况一般为全部机组同时运行时的水流流态[5-7]。但由于大型泵站机组较多，不同机组运行时进水池内流态有所差别，即使通过试验优化后进水池内流态也呈现较为明显的优劣。早在1989年，黄广礼就提出多机组泵站各台泵的运行性能与其所在前池中的位置和其他机组开机台数密切相关[8]。李迎春[9]等则建立了旗岭泵站前池、引水明渠、进水流道三维数学模型，并以流动均匀性及漩涡分布为指标提出6台机组运行时的优化组合方案，但判断指标以流态为主，未对泵站流道进口进行三维分析。

由于三维黏性湍流数值模拟已成为泵站流动分析主要手段，现有CFD技术已能够比较准确地预测进水池旋涡分布，复核泵站的进流特征[10]，因此本文拟通过Flow3D软件，对大型泵站不同机组运行时的进水池及流道进口进流条件进行模拟，并提出较优的开机组合方案。

本研究基于某大型泵站工程，该工程进水池长70 m，底宽65.04 m，前接进水箱涵，后连泵站进水流道。进水池经优化后渐变段长40 m，池底高程以1∶7.94的坡度从-2.50 m变至-7.538 m，渐变段平面扩散角约为8.98°。泵站共设5台斜20°轴流泵机组，单机流量为50 m3/s，流道进口段顺水流方向长14.0 m，底高程-7.538 m，顶高程-1.938 m，进口设拦污栅及检修闸门，闸孔尺寸9.6 m×5.6 m(宽×高)，进水池平面及剖面布置见图1和图2。进水池最高运行水位3.19 m、设计运行水位1.88 m、最低运行水位为0.52 m。

图1 进水池平面布置(单位：m)Fig.1 Layout plan of inlet sump

图2 进水池剖面布置(单位：m)Fig.2 Profile layout of inlet sump

1 模型设计

目前，用于模拟泵站水流的计算域一般包含整体式和分散式2种类型[11]，对于本研究，主要考虑泵站进流条件，因此采用分散式类型，即仅将进水明渠、进水箱涵、前池、进水池和进水流道共同组成的对象作为进水系统计算域。

1.1 控制方程

控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能k方程、紊动能耗散率ε方程：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

紊动能k方程：

(3)

紊动能耗散率ε方程：

(4)

Flow3D自由液面采用Tru-VOF方法。流体体积法(VOF)是Hirt和Nichols 1981年提出的处理复杂自由表面的有效方法，是目前应用非常广泛的一种追踪自由表面的数值方法。主要由3部分组成：一是定位表面；二是跟踪自由表面运动到计算网格时的流体表面；三是应用表面的边界条件。Flow3D使用了真实的3步VOF方法，称之为“Tru-VOF”， 该方法定义流体体积函数F=F(x,y,z,t)表示计算区域内流体的体积占据计算区域的相对比例：

在FLOW3D中关于流体体积函数 的输运方程同样需要考虑体积和面积分数参数：

(5)

1.2 模型范围

模型实体建模采用AUTOCAD软件，主要对泵站进水池内流态进行模拟，上游模拟范围至泵0-160处(进水明渠)，下游模拟至泵叶轮中心处桩号0+000，模型实体范围见图3。模型中X数值指泵站桩号，Y值为距离泵站中心线的距离，Z值为高程值，单位均为m。

图3 三维模型整体示意Fig.3 3D model overall schematic diagram

1.3 模型网格

FLOW-3D采用基于结构化矩形网格的FAVOR方法进行计算，进水池及进水流道内的网格尺寸为0.4 m×0.4 m×0.4 m，进水箱涵及明渠内网格尺寸为0.8 m×0.8 m×0.8 m，网格总数约140 万个，见图4。

图4 模型网格划分示意Fig.4 Schematic diagram of model mesh generation

1.4 模型控制条件

模型上方区域设置为压力边界(P)；上游为水位边界(H)，并设置一定的初始水位，在优化调度研究中初始水位均为泵站进水池设计水位1.88 m；下游为流量边界，位于泵叶轮中心处，单台泵站流量为50 m3/s；底面及两岸由于受到进水池底板、河道底高程及岸坡等地形限制，采用了对称边界(S)，或采用壁面边界，表示无通量且无剪切；壁面采用无滑移边界。

模型设定了初始水体范围，并且给定初始水位，水面水平，压力为静水压。初始时间步长为0.002 s，并根据网格大小进行自动调整，其中最小时间步长设为0.000 001 s，最大时间步长设为1 s。

2 进水池流道进流指标

对于进水池的水流在进入水泵之前的流态，相关学者提出了相应的判断指标[12,13]，一般以断面流速均匀度Ω和平均偏流角θ为主，其定义如下：

(6)

(7)

本工程指标断面选取在泵站进口平直断面末端(泵0-013.3)，以此来表征泵站流道的进流条件。朱红耕等[14]曾以此2指标作为优化目标，应用于南水北调东线工程低扬程泵站设计，优化后使进水流道出口流速均匀度提高3.26%，偏流角减小1°，可减少水力损失24.1 %，具有显著的效益。资丹等[15]基于响应面模型，以吸水喇叭管悬空高、后壁距和淹没深度为设计变量，对泵站进水池参数进行优化，优化后流速均匀度提高5.92%，涡量特征值降低3.1倍，亦显著改善了进水池的流态。一般来说，泵站进口断面的Ω值越大，θ越小，则泵站进流条件越好，有学者提出泵站流道进口Ω应大于85%，θ应小于5°[13,16]。

3 计算结果及分析

本工程共设5台机组，对称布置，为详细分析各机组运行时进流条件的优劣，采用全组合方案进行研究，共有18种组合方案，工况见表1，计算成果见表2，进水池典型平面流场见图5，不同机组运行时较优与较差调度方案流道立面流场见图6。研究表明：

表1 开机组合方案Tab.1 Research working conditions

续表1 开机组合方案

表2 泵站进流指标计算成果Tab.2 The results of flow regime index

图5 进水池平面流场分布(Z=-2.1 m)Fig.5 Flow field distribution in inlet sump(Z=-2.1 m)

(1)不同泵站机组组合时泵站流道进流均匀度Ω变化不大，但进流角度θ则存在明显的差异。如4台泵同时运行时，各流道Ω指标最小值约89.07%，最大值约为91.57%，变化较小，而θ指标最小值约4.13°，最大值可达7.75°，变化明显；3台泵运行时，各流道Ω指标最小值约89.93%，最大值可达91.97%，变化较小，而θ指标最小值约3.83°，最大值可达8.53°，变化显著。

(2)在相同机组运行台数的情况下，相邻机组运行时的泵站流道进流条件明显优于间隔机组运行。如4台泵站运行时，开启1号，2号，3号，4号机组运行时各流道平均进流均匀度Ω为90.5%，进流角度θ为4.3°，1号，2号，3号，5号机组运行时各流道平均进流均匀度Ω为90.4%，进流角度θ增大至5.3°，且5号机组的进流角度θ甚至可达7.75°，远超5°的限制，进口流道内存在明显的涡流；3台泵站运行时，开启2号，3号，4号机组运行时各流道平均进流均匀度Ω为91.18%，进流角度θ为3.88°，1号，3号，5号机组运行时各流道平均流速均匀度为90.64%，角度增大至6.81°，且1号及5号机组的进流角度θ可达7.74°。

(3)开启中间机组时的进流条件优于开启2侧机组。如2台泵站运行时，开启1号，2号及2号，3号均为相邻2机组，但2号，3号机组位于进水池靠近中间侧，其平均进流角度θ为4.92°，较1号，2号机组的平均进流角度θ为5.69°明显减小。开启1号，3号及2号，4号均为间隔一孔开启，但2号，4号机组位于进水池中间，其平均进流角度θ为4.99°，较1号，2号机组的平均进流角度θ为5.82°明显减小，其余工况也有类似结论。

图6 典型工况流道进口水流条件(X=-13.3 m)Fig.6 Vertical flow field distribution of pump inlet(X=-13.3 m)

(4)由于不同开机组合时泵站进流条件存在差别，从全组合调度试验可知4台泵运行时泵站机组开启组合优先顺序依次是1号，2号，3号，4号>1号，2号，4号，5号>1号，2号，3号，5号；3台机组运行时，泵站机组开启组合优先顺序依次是2号，3号，4号>1号2号3号>2号，3号，5号>1号，2号，4号>1号，2号，5号>1号，3号，5号。2台机组运行时，泵站机组开启组合优先顺序依次是2号，3号>2号，4号>1号，2号>1号，3号>1号，4号>1号，5号。1台机组运行时，泵站机组运行优先顺序依次为3号>2号>1号。结合各开启台数下的进流条件，建议的泵站开机顺序为3号→2号，3号→2号，3号，4号→1号，2号，3号，4号→1号，2号，3号，4号，5号(或其对称开启方式)。

4 结 论

基于Flow3D软件对泵站进水池及流态进口水流条件进行计算，并对相应组合时的进流指标进行分析。研究表明：

(1)泵站运行时，流道进流条件受进水池内流态影响，同一排涝流量下的不同组合方案时流道进流条件存在明显区别。

(2)泵站进流条件的区别主要体现在进流角度θ上，为敏感指标，流道进流均匀度Ω则变化不大。

(3)在相同机组运行台数的情况下，相邻机组运行时的泵站流道进流条件明显优于机组间隔运行。

(4)中间机组运行时的流道进流条件明显优于两侧机组运行时。

(5)通过全组合调度试验提出了相应的优化组合方案，可供类似工程参考。

由于本文研究所基于的工程为正向进流，左右对称，且进流条件较好，若泵站为斜向进流或侧向进流，则进水池内流态更为复杂，泵站机组的优化调度仍需进一步研究。