中小型泵站进水前池水流特性管控和改善方法

朱伟军

(浙江丰铎建设有限公司，浙江 临安 311300)

中小型泵站在农业灌溉、排涝等方面发挥着巨大的效益，为改善农业生产、促进农村经济和农民增收、保障国家粮食安全等方面发挥了巨大的作用[1- 4]。

泵站的建筑物较多，其中进水前池为泵站的进水建筑物之一，可保证进入进水池的水流形态平顺，为泵站运行提供安全稳定高效的环境。利用工程措施提高进水前池的水流形态，改善水利特性是工程人员关注的问题[5- 6]。杨小帆等利用SST k-ω湍流模型对泵站的侧向进水流态进行改善研究，通过分析确定了最佳的导流墩布置方式[7]。王广聚等对泵房的进水前池进行了优化试验研究，对前池的布置形式作了具体分析[8]。顾春雨等对多机组泵站复合前池的整流进行了优化分析，认为改用圆弧直立挡墙圆滑连接，去掉涵洞，水流形态更加稳定[9]。

本文在前人研究理论及经验的基础上，采用理论与试验相结合的方法，对采用立柱进行进水前池水流形态的改善和控制进行定量与定性的分析，以期达到最佳的水流特性。

1 研究方案与方法

控制前池水流形态的措施主要有底坎、导流墩和立柱等。底坎由于在坎前容易淤积杂物，使得坎后的漩滚区减小，整流效果较差；而前池内如若存在大尺度回流时，导流墩的整流效果也不太理想。因此，考虑整流效果、施工方便等因素的前提下，本文选择矩形立柱作为研究对象。湍流模型则选用K-ε模型，在进口处的边界条件设置为质量进口，流量为33L/s，出口边界条件为自由出流，设前池的宽度为B，长度为L，深为H，且出口处为10台机组，如图1所示。对立柱位置、断面尺寸、高度、形状等4个方面进行不同方案(单因素分析法)的模拟试验研究，见表1。

图1 前池示意图

2 模拟结果对比分析

2.1 无立柱流态模拟分析

无立柱(即无整流措施)时，其流态分布模拟图如图2所示。无整流时，在前池的两侧均有较大的回流区，回流区对主流的压迫也比较严重，且流速分布极不均匀，流速分布均匀度仅为62.1%，呈中间机组流速高，两边机组流速低的趋势，导致进入泵站两侧进水池的进水条件恶化，严重时会发生侧向进水和旋涡，运行极不稳定。

表1 模拟设计方案表

图2 无整流措施时流线及流速分布

2.2 单/双排柱流态模拟分析

设置立柱即要保证进入各机组的流速尽量保持均匀，且产生较小或者产生回流区。首先以各机组的流速均匀度作为优化条件分析。单/双排柱情况下的流速均匀度见表2。从表中可以看出：在单排柱方案中，随着立柱距出水口(机组进口)的距离越大，其流速分布均匀度有逐渐增大的趋势，当距离出水口0.45B时，其流速均匀度达到79%，可见，X=0.45B是本次单排柱模拟方案中最佳的位置；在双排柱方案中，流速分布均匀度有先增后减的趋势，当X=0.48B时，流速分布均匀度达到85.6%，这是因为当立柱距下游较小时，涡还没有经过充分发展，故而会使得出水口处水流形态较为紊乱，而当距离过大时，又会使立柱前方形成较大涡，同样也不利于流速分布。对比单排柱和双排柱方案可以知道，从整体上来看，双排柱的整流效果要优于单排柱。

方案D6和S3的流线分布和流速分布如图3所示。对比无整流措施、D6和S3措施下的流线分布和流速分布可以看到：单排立柱的滞水作用明显没有双排立柱强，立柱后侧有卡门涡，柱前回流区较无整流措施时小，但比双排立柱时大，双排立柱的回流区分布、大小较为均匀；单/双排柱后回流区均存在一定的卡门涡。通过对比可以发现，双排立柱的整流效果确实优于单排立柱，且离出水口(机组进口)的最佳距离为0.48B。

表2 不同单双排柱方案下流速均匀度对比

2.3 高度对前池流态影响的模拟分析

各高度方案下的流速分布均匀度值如图4所示。从图中可以看到，随着立柱高度的增加，机组进口处的流速分布越均匀，立柱高度从0.2H增大到0.8H后(扩大4倍高度)，流速分布均匀度仅仅提高了4%，表明高度并不是影响整流效果的关键因素，且高度增高也会相应增加工程成本，在现场实际涉及施工过程中，应该综合考虑经济、合理性。

图3 D6/S3流线、流速分布图

图4 高度对流速分布均匀度的影响

图5 尺寸对流速分布均匀度的影响

2.4 尺寸对前池流态影响的模拟分析

在最佳立柱位置和高度的前提上，改变立柱的尺寸，得到了各机组进口处的流速分布均匀度对比值，如图5所示。从图中可以发现：C3型立柱尺寸下，机组进口处的流速分布均匀度最大，达到85.2%，C4组次之，C1/C2组未达到80%，这说明立柱尺寸是影响流速分布均匀度的重要因素之一，且b=0.0375B时，是最佳尺寸方案。再次基础上，对流线及流速分布图进行分析，如图6所示。

图6 C3方案流线、流速分布图

可以看到，相比无整流措施时，其进水流态较好且池中流速分布更均匀，表明在此方案下的整流效果较好。

2.5 形状对前池流态影响的模拟分析

在椭圆K1、三角形K2、六边形K3形状方案下的流速分布均匀度对比如图7所示。从图7反应的情况来讲，立柱形状对于前池的整流效果不是关键因素，3种方案的整流效果大致相同，在实际设计施工过程中主要考虑施工方便性，故建议优选立柱形状为方形。

图7 形状对流速分布均匀度的影响

3 结语

(1)双排立柱对进水前池的整流效果优于单排立柱。

(2)立柱位置和立柱尺寸为影响整流效果的主要因素，且距出口的最佳位置为0.48B，最佳立柱截面尺寸为0.0375B。

(3)立柱的高度和形状是影响整流效果的次要因素，在设计施工时重点考虑经济性和施工方便性，且建议选择方形立柱形状。