泵站流量衰减问题分析与进水系统改造

白绵绵 肖若富 党照 姚志峰 冯虎虎

：为解决某抽黄灌区枢纽泵站机组流量大幅衰减问题，采用计算流体动力学（ＣＦＤ）方法对其衰减原因进行分析，提出进水系统改造方案，并对改造前后的进水系统流态进行数值模拟对比。结果表明：改造前，在箱涵进口产生明显吸入涡，大量气体和杂质经箱涵高速进入吸水池后，造成池内水流上下翻滚，导致水泵吸水性能极差，运行一段时间后流量迅速衰减；改造后，进水系统流态得到有效改善，进水池低速区变小，吸水池水流上下翻滚现象消失，水泵吸水性能提升较大，机组流量衰减现象得到明显改善。通过实测改造前后泵站的运行流量，验证了ＣＦＤ 用于泵站内部流场模拟的可靠性；在后续对原有工程进行改造时，可先采用ＣＦＤ 对原始系统进行流场模拟，有针对性地进行结构改造。该泵站流道改造前后效果验证，进水系统设计时，应尽量保持各进水建筑物压力流或明流相同。

关键词：进水流道；吸水池；流量衰减；表面吸入涡

中图分类号： ＴＶ２２２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２３

引用格式：白绵绵，肖若富，党照，等．泵站流量衰减问题分析与进水系统改造［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：１２６－１３０．

０ 引言

我国大型灌区多建于２０ 世纪六七十年代［１］ ，受当时条件限制，进水系统设计在很大程度上依赖规范和经验，造成水泵在实际运行时吸水性能差、效率较低［２－３］ 。某大型抽黄灌区多座泵站就存在严重的流量衰减问题，即机组刚开机时各项参数正常，但运行一段时间后（几天甚至几小时），水泵流量逐渐减小，配套电机电流随之逐渐降低，之后稳定在某个远小于开机流量值运行，无法满足灌溉高峰期用水要求，对灌区效益和社会稳定造成一定影响［２］ 。

经试验发现，引起流量衰减的原因为：１） 进气。当双吸泵吸程为正时，进气在启动很短时间内发生，且不太可能通过关机重启而消失。２）表面旋涡。表面旋涡与进水池、吸水池、进水管道结构密切相关，通常伴有明显的振动和压力脉动。３）汽蚀。汽蚀一般发生在机组选型或泵站设计不合理时，伴有异常高频声音，产生大量堵塞流道的气泡，外观常见明显破坏。４）流道堵塞。流道堵塞分为管道堵塞和水泵堵塞两类，前者流量衰减前后的工作点都在水泵特性曲线上，停机重启不易恢复；后者流量衰减前后的工作点不在水泵特性曲线上，通过关机重启可恢复。５）其他不确定的原因。

经反复观察，该抽黄灌区多座泵站机组出现流量衰减后，关机重启就可恢复正常运行流量，排除进气因素；叶轮运行２０ 多ａ 无明显磨损和汽蚀破坏，排除汽蚀因素；吸水池、流道等无堵塞杂物，排除流道堵塞因素；进水池和吸水池内旋涡、回流及翻滚现象严重，初步怀疑表面旋涡等进水流场紊乱是引起该灌区机组流量衰减的主要原因。

表面旋涡分为自由表面旋涡和次表面旋涡两种。表面吸入涡是自由表面旋涡６ 个阶段中的最强阶段［４－５］ ，旋涡从吸水池自由水面一直延伸到进水喇叭口，形成连续的空气吸入涡，夹带大量气体进入水泵，会在一定程度上堵塞流道，同时，吸入涡的强旋转特性导致水泵进口流速变得极不均匀，造成水泵出水流量减小、运行效率下降、压力脉动和振动加剧。

资丹［６］ 采用耦合Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ 和ＶＯＦ 方法对表面旋涡的产生机制进行了研究，认为主导涡量分量为垂直涡量，而流向速度沿展向的波动是垂直涡产生的原因；流向进水管的主流将垂直涡输送到进水管附近，在进水管上方区域的垂直涡被拉伸，其强度随着拉伸而增大，当增大到一定值时，空气会被垂直涡吸入到水下或进水管中。多位学者通过数值模拟，研究了进水系统几何形状、参数与进水流场的关系，并提出多种改善进水流态的措施。贾君德等［７－１１］ 研究了箱形、簸箕形、开敞式等不同形式进水部分的水力特性，通过对长度、宽度、高度、扩散角、底坡等系列参数进行分析，认为各参数之间存在最优比。朱红耕等［１２－１６］ 对进水部分进行了整流优化研究，提出设置底坎、导流墩、消涡板等多种控制涡流的措施和“八”字形导流墩＋“川”字形导流墩＋“十”字形消涡板的组合控涡方案。陆林广等［１７］通过物理模型试验，验证了数值模拟的准确性。针对情况更为恶劣的低水位工况，Ｍｏｌｌｅｒ 等［１８－２１］ 提出在吸水池设置导流台＋水下消涡板＋Ｗ 形后墙导流墩的组合整流方案，并采用三维模拟和模型试验对整流效果进行了验证，结果表明，该组合整流方案可以完全消除吸水池表面旋涡，吸水池内水流流态和水泵进口的轴向速度分布都得到了明显改善。

然而，目前没有对泵站流量衰减与进水流场之间的具体相关性研究。笔者针对上述表面旋涡等进水流场紊乱导致的流量衰减问题，结合某抽黄灌区枢纽泵站（以下简称某泵站），对进水部分进行计算流体动力学（ＣＦＤ）数值模拟，分析流场特点，研究造成流量衰减的原因，通过改造进水流道来降低流量衰减率；并通过现场试验，对ＣＦＤ 模拟结果和改造效果进行了验证。

１ 研究对象及存在问题

某泵站于１９９７ 建成运行，安装８ 台１２００ ＬＷ－６０型立式离心泵，单泵设计流量４．０５ ｍ３ ／ ｓ、設计扬程６０．３ ｍ。泵站进水采用单机单池单流道形式，自上级渠道引水，水流先后通过进水渠道、进水池、压力箱涵进水流道、吸水池，进入水泵吸入口（见图１），其中压力箱涵进水流道相关参数为底宽Ｂ×高度Ｈ ＝ ２．５ ｍ×２．０ ｍ、长１８．７ ｍ、纵坡比１ ∶ ５．８６（压力箱涵出口与椭圆形吸水池底部连接）。

测点设置在水泵出口与电动检修阀之间，流量计型号ＡＤＭ６７２５，测量原理为时差相关原理，测量精度±０．５％，分辨率０．０２５ ｃｍ／ ｓ。

２．２ ＣＦＤ 模型及边界条件

以７＃、８＃机组为例，考虑设计水位为３８２．５ ｍ 时双机运行工况，对其进水系统进行真实尺寸的数值模拟。原始流道计算模型包括进水渠道、进水池、压力箱涵进水流道、吸水池及进水管路（见图２）。

湍流模型采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ－ε 湍流模型，有关研究表明该模型能较好地模拟表面旋涡和附壁涡，且预测的旋涡位置和强度与模型试验较为吻合，在进水系统流动模拟中具有一定优势［５，１１，１７］ 。

对流项采用二阶迎风格式进行离散，源项和扩散项采用中心插分格式进行离散，采用ＳＩＭＰＬＥＣ 算法进行求解。边界条件设置：１）进口边界为进水池上游进水渠道６０ ｍ 处断面，给定流量；２）出口边界为进水管路出水断面，给定压力；３）进水渠道和进水池顶部采用钢盖假定；４）吸水池水面给定大气压力；５）其他壁面为无滑移壁面。

采用四面體的非结构化网格，在各部位衔接处（进水渠道与进水池衔接处、进水池与进水流道衔接处、进水流道与吸水池衔接处以及吸水池与进水管路衔接处） 等流动变化剧烈的位置对网格进行局部加密，并进行网格无关性检查，最终选用网格单元数为５００ 万个，其中进水渠道１２４ 万个、进水池１７３ 万个、进水流道２４ 万个、吸水池１６５ 万个、进水管路１４ 万个。

３ 原进水系统内部流动分析

图３ 为原始流道进水系统流线图。从图３ 可以看出，以进水池靠近箱涵进口处为分界点，前后流场截然不同。分界点前的进水渠道和进水池前半段，流线整体较为平顺，流速在进入进水池后平面扩散逐渐减小；分界点后流线紊乱，尤其在进水池靠近箱涵进口处和吸水池内流线更加混乱，压力箱涵内流速较吸水池高，水泵进口处流速最高。４ 为原始流道进水系统流场细节图，进水池内流速均值为５．５ ｍ／ ｓ，流速在垂直方向从池底到水面自下而上逐渐提高，且底部流速梯度较大，最底部流速为０．１ ｍ／ ｓ；自上游至下游流速均匀部分占比越来越小；在末端靠近箱涵进口处，形成了一个流速小于０．２ ｍ／ ｓ 的低速旋涡区，容易造成泥沙淤积；进入箱涵后，流速迅速提高至９．３ ｍ／ ｓ，挟带表面吸入涡的水流从箱涵进水流道中高速流出，快速进入吸水池。吸水池流场纵向明显分为３ 部分，最底部小区域流速低，往上比箱涵高度较低处流速高，再往上流速又变低；由于下部为高速流动区、上部为低速流动区，因此大的流速差造成下部水流自内圈流向上部，再在重力作用下自外圈向下流动，形成翻滚式流道，造成水泵吸水性能下降。

原始流道进水池靠近箱涵进口处出现典型的表面吸入涡［６］ ，水流在水面背离轴线（顺水流方向）自外向内旋转，水平向随旋转半径变小速度逐渐提高，竖直向整个旋涡自水面向下尺寸越来越小、速度越来越高，直至高速进入压力箱涵，随水流一直延伸到进水喇叭口。吸水池内多处水流上下翻滚，水流在翻滚中心自下而上流动，又沿着翻滚外缘自上而下流动。实拍照片（见图５）与ＣＦＤ 模拟结果一致，证实数值模拟可靠，可用来指导下一步进水系统改造。

４ 流道改造及流动分析

４．１ 进水流道改造

原始进水流场特征表明，某泵站流场紊乱的源头在进水池靠近箱涵进口处，即明流变压力流处。本次改造拟将整个进水系统流态统一变为明流或压力流。由于除进水流道外其余进水建筑物皆为明流，考虑投资最省，因此将原来的压力箱涵进水流道改造为明渠进水流道，整个进水系统变为明流（见图６）。改造后明渠横断面为矩形，底宽Ｂ 为１．２ ｍ，明渠之间采用块石混凝土填筑，底坡维持１ ∶ ５．８６ 不变。

４．２ 流道改造后进水系统内部流动分析

为研究进水流道改造前后流态差异，对７＃、８＃机组在设计水位双机运行工况下进行模拟。由进水系统流线图（见图７）看出，随着进水流道由压力箱涵改为明渠，进水池与流道衔接处流线也由紊乱变得极为平滑；从图８ 可以看出，进水流道、进水池中水流速度较为均匀，与原始流道相比，改造后进水池靠近流道进口处底部的低速流动区域明显缩小，不到改造前的１／７，泥沙淤积现象减轻。在进水流道底部出现了一部分低速区，但此处淹没深度较大，不会对进水系统的整体流动产生较大影响。

由图９、图１０ 可知，流道改造后，吸水池沿纵向流速基本一致，上下翻滚式流动消失；然而，池内仍存在较为明显的吸入涡，原因可能是带入空气或者杂质到进水管路中，导致水泵吸水性能变差，流量衰减现象虽然有所改善，但没有完全消除。

５ 流道改造前后试验对比

为进一步研究流道改造效果，对流道改造前后的实测数据进行对比，验证了数值模拟的准确性（见表２）。流道改造后，水泵开机流量增大，流量衰减速度变慢，运行７ ｄ 后流量衰减率由改造前的３３％减小到２０％，衰减幅度变小，衰减率降低了３９％，衰减问题大幅改善。但是，由于吸水池内还可能存在其他引起流场紊乱的因素，因此流量衰减并没有完全消除。

６ 结论

针对已建泵站进水系统流态紊乱引起的机组流量衰减问题，采用ＣＦＤ 模拟和试验测试相结合的方法，对某抽黄灌区枢纽泵站进水系统流态进行研究，提出将进水流道由压力箱涵改造成明渠的方案，从而将整个进水系统流态统一变为明流，降低流量衰减率。

１）改造前，在进水池靠近箱涵进口处出现明显低速区，在明流变压力流的箱涵进口产生明显的吸入涡，带入大量气体和杂质随着箱涵内压力流高速进入吸水池，造成吸水池内水流上下翻滚，降低水泵吸水性能，随开机时间延长，流量衰减严重。

２）将进水流道由压力箱涵改为明渠后，进水系统流场较改造前平稳。进水池低速区明显变小，进水流道底部出现一部分对整体流动影响较小的低速区。吸水池内翻滚式流动消失，水泵吸水性能有明显提高。

３）通过对流道改造前后开机流量和运行７ ｄ 后流量实测数据进行对比，验证了数值模拟的正确性。流道改造后，开机流量变大，流量波动幅度变小，流量衰减现象明显改善，运行７ ｄ 后流量衰减率由改造前的３３％降低到２０％，衰减率降低３９％。

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【责任编辑 简 群】