泵站前池和开敞式进水流道的数值优化

付建国，李 宁

(江西水利职业学院，330013，南昌)

0 引言

前池和进水流道属于泵站的重要组成部分，建在泵站的前部，使进水口的水流变得柔滑平顺，给泵站提供良好的取水条件，改善泵站的进水流态。当前池和进水流道的设计有不合理的地方时，往往会出现水流紊乱、不良流态以及产生涡旋的现象，使得流入水泵的流量和流态受到影响，降低泵站的使用效率，严重时还可能使泵站偏工况运行，这对泵站的高效、稳定、安全运行是一个极大的威胁，故在设计阶段有必要对泵站前池和进水流道进行预测、研究和必要的优化。

相关学者对泵站前池及开敞式进水流道进行了研究，孙众[1]等通过ANSYS流体仿真软件，运用 CFX求解器对侧向进水结构内的流场进行了数值模拟，揭示了泵站侧向进水结构内不稳定流场的机理。杨庆胜[2-4]等对不同工况下的泵站前池流场进行了仿真计算，并进行了水工模型试验对比验证，在改善流态的同时，发现验证CFD对前池数值模拟有着很高的可信度。

陆伟刚、冯建刚[5-10]等人为改善泵站前池流态、优化水泵进水条件，基于计算流体力学分析底坎、导流墩等不同几何参数、不同布置形式下的整流措施对前池流态的影响，改善了进水流态，提高了泵站运行稳定性。赵智磊[11-12]等通过改变泵站进水河道中心线和泵站进水池中心轴线的夹角、调整进水前池斜坡坡度等方式对压力前池流态进行分析后确定出最优的设计方案。罗灿、徐存东[13-14]等基于k-ε湍流模型，用CFD软件对泵站前池进行了数值模拟，并进行了合理的整流优化方案，有效地改善了泵站进水前池的水流流态。

在前人研究基础上，本文以某泵站前池和进水流道为研究对象，对其进行优化设计，在SolidWorks软件中建立前池和进水流道参数化模型，应用CFX对研究模型进行数值计算和优化。优化过程按照先局部后整体的优化思路，先优化前池进水流道坡度，然后通过改变前池进水流道的宽度进行优化，并引入综合性能指标λ概念，分析比较不同方案的前池进水流道的三维湍流流动和水力性能，得到最优方案，从而为泵站提供良好的进水条件。

1 泵站前池工程概况

泵站单机组设计流量4.6 m3/s，配套电机为250 kW-16P，泵站设计扬程为2.5 m，水泵叶轮直径初定为1 200 mm，单机功率135.3 kW，电机转速365 r/min。泵站采用开敞式进水流道作为进水进行设计。

2 三维建模及网格剖分

2.1 计算模型

泵站前池和开敞式进水流道是影响泵站整体流态的关键因素。本文采用SolidWorks软件对泵站前池进水流道中的水体进行建模，之后导入ANSYS软件的DM模块进行调整，图1中B为池宽，i为坡度，b为后壁距。

图1 泵站前池和开敞式进水流道参数图

图2 泵站前池和开敞式进水流道计算模型图

2.2 网格划分

前池和进水流道三维模型的网格划分在ANSYS ICEM软件下实现。采用结构化六面体网格，对边界层及局部进行加密处理。网格节点数为543 678，网格数为510 840，网格质量超过0.3，如图3所示。

图3 泵站前池结构化网格

2.3 边界条件与控制方程

导入进水流道的网格模型到CFX-Pre中，如图4所示。

图4 前池进水流道运行示意图

前池和进水流道进口设置为质量流量进口，优化设计时，设计工况，3 m宽进口流量设置为4.6 tonne/s，6 m宽进口流量设置为9.2 tonne/s，出口断面采用平均静压出口，出口压力设置为1 atm。前池和进水流道的水面设置为自由液面，壁面设置为静止壁面，应用无滑移条件，近壁区采用标准壁面函数边界条件，其表面取无滑移壁面[15]。计算时收敛条件设置的残差值为10e-5，同时监控泵装置的进出口断面的压力增量稳定为止。

2.4 计算公式

2.4.1 前池和进水流道水力损失预测 根据伯努利能量方程，引入水力损失hf的概念，前池和进水流道的水力损失hf由流速场和压力场来预测，计算公式为：

(1)

式中：E1、E2为流道进、出口处的总能量；p1、p2为流道进、出口处的静压(Pa)；Z1、Z2为流道进、出口的高度(m)；u1、u2为流道进、出口水流速度(m/s)；ρ为水流密度(kg/m3)；g为重力加速度(m/s2)。

2.4.2 出口断面轴向流速分布均匀度预测 进水结构在设计时，除满足水力损失要求的同时，其进水条件还应尽可能满足均匀的流速分布和压力分布。进水结构的出口紧接泵闸的进口，其轴向速度分布均匀度Vu反映了进水流道设计的优劣，Vu值越接近100 %，表明进水结构出口水流的轴向流速分布越均匀，进入泵闸的水流越均匀同向，计算公式如下：

(2)

式中：Vu为流道出口断面轴向流速分布均匀度(%)；va为流道出口断面轴向流速算术平均值(m/s)；vai为流道出口断面各计算单元的轴向速度(m/s)；n为出口断面上的计算单元个数。

2.4.3 优化后的综合性能指标 为了比较优化后前池和开敞式进水流道的综合性能，引入综合性能指标λ概念，对进水结构水力损失hf和出口断面轴向流速分布均匀度Vu进行综合考虑，分别与原方案比较。由于流道出口断面轴向流速分布均匀度Vu对流态影响较大，取权重占比0.7，进水结构水力损失hf取占比0.3。

(3)

式中：λ为优化后前池进水流道综合性能指标(%)；hfy为原流道的水力损失(m)；Vuy为原流道的出口断面轴向流速分布均匀度(%)。

3 原流道数值计算结果分析

在经过计算后可以得到原流道的各特性如图5所示。

由壁面静压力分布云图可以看出在原流道的出口处的压力最大，壁面压力在坡道起始位置压力最小，这一块需要进行加固处理，防止发生空蚀破坏。由截面静压分布云图可以得到，低压区在顺水流方向上不断变动，因为低压是旋涡产生的原因，这就意味着旋涡在各断面不断地变化，低压区逐渐向池底靠近，主流偏向一侧。

由流线图中可以看到，在进口处以及中间段的流线平顺，但在底坡到出口的部分流线比较紊乱，这将会使出口处产生不良流态，应予以改善。从涡旋图可以看到在流道出口前区域产生了较多的涡旋，这进一步说明了出口的水流流态产生破坏，使得流出的水流比较混乱。

综上所述，原流道流态较差，产生了大量的旋涡，因此有必要进行优化，以优化流态，减小水能损失。

4 前池和开敞式进水流道优化

4.1 前池和开敞式进水流道优化方案

通过对原始方案前池和开敞式进水流道进行初步数值计算，发现前池进水流道在前半部逐渐收缩，流态较好，但在靠近进水流道出口处，因底坡的存在，形成了涡旋，为防止涡旋的形成，考虑减小前池底部坡度，将底部坡度和流道总宽度作为控制参数进行优化，表1为前池进水流道模型8个优化控制方案，其示意见图6所示，以前述水力损失hf及轴向速度分布均匀度Vu为优化的目标函数，开展前池进水流道的优化。设计参数的优化是在参数可变区间内，采用控制变量法，在Solidworks软件中建立参数化建模，在ANSYS Workbench中进行网格的更新和数值计算，具体优化方案见列表1所示。

表1 前池和开敞式进水流道模型优化方案表

图6 优化方案示意图

4.2 前池和开敞式进水流道优化结果分析

将各个方案的进水结构水力损失hf、出口流速均匀度Vu和综合性能指标λ整理如图7～图9所示。

图7 进水结构各数值优化方案水力损失结果

图8 进水结构各数值优化方案出口流速均匀度结果

图9 进水结构各数值优化方案综合性能结果

通过进水结构各数值优化方案水力损失结果可以看出，原始方案P0水力损失0.003 5 m为最大，优化方案P6水力损失0.001 5 m为最小，优化方案P7水力损失介于二者之间，但是最大水力损失和最小水力损失差值较小，对最终的优化结果影响稍小。通过进水结构各数值优化方案出口流速均匀度结果可以看出，原始方案P0出口流速均匀度最低为38.62 %，优化方案P7出口流速均匀度最大为74.94 %，因出口流速均匀度对泵站的水力性能影响大，故而其在综合性能的比重较大。通过进水结构各数值优化方案综合性能结果可以看出，各优化方案均比原始方案P0较好，优化方案P7最优，更适合泵站的运行。本文列出P7方案各特性图做进一步分析，优化结果流态如图10所示。

(a)P7壁面压力分布云图 (b)P7各截面静压分布云图

通过对比P1～P8进水结构的壁面压力分布云图，大部分优化方案进水结构前段压力分布均匀，但是在坡度起始端均存在细长的线性低压区，低压区的存在容易导致该区域产生空蚀现象，其中P6、P7方案低压区较小，对流态的影响最小。P2、P4在进水结构前、中段和进水结构出口处到底坡区域均存在压力梯度分布不均匀的现象，其余方案压力梯度递变均匀。因此，当进水结构的宽度发生改变，会使得部分坡下压力分布紊乱，造成出口处的压力分布不均。

对比P1～P8进水结构的截面压力分布图可知，进水结构前段截面压力从上而下逐渐递增，压力分布均匀，不会产生明显涡旋，底坡区域，压力从上而下开始逐渐递减，下部压力明显小于上部压力，由此可以得出底坡区域易产生明显涡旋。从底坡区域开始，压力分布开始发生较大变化，进水结构出口处的压力分布极不均匀，流态不稳定。

对比P1～P8进水结构的流线图可以看出，在进水结构的前段和中段部分流线比较平顺整齐。因此只进行坡度优化的方案，在底坡至出口区域的流线曲折性改变较小，而改变流道宽度的优化方案，底坡至出口区域的流线比较紊乱，水流流态较差，对出口处的流速均匀度造成一定的影响。由此可以得出，当改变了进水结构的宽度后，会使得底坡和出口处的水流流线变得紊乱，造成出口处的流速均匀度降低。

对比P1～P8进水结构的涡旋图可以看出，进水结构前段涡旋较小，无明显涡旋，底坡开始出现明显的涡旋，流态产生较大变化，底坡至进水流道出口区域均有不同程度的涡旋，流态极不稳定。其中P6和P7方案涡旋相对最小，流态最好，P8方案涡旋最大，流态最差。

5 结论

1)前池进水流道的水力损失hf从优化前的0.003 5 m降低到优化后的0.001 5 m，进水流道出口轴向流速均匀度由优化前的38.62 %提高到优化后的74.94%。通过优化，水力性能得到了较大提升，合理的进水结构是保证泵站能够高效、稳定运行的重要前提。

2)从综合性能来看，与原流道相比，P7方案的优化效果最好，对坡度进行优化后可以很好地改善前池内的不良流态，消除涡旋现象的产生，使出口处的流速均匀度得到一个良好的结果，可以有效地保障泵站的安全、稳定运行。

3)对比8个优化方案，坡度i对进水结构水力特性的影响最为敏感，设计时应重点关注。