徐存東，王榮榮，劉 輝，連海東，王 燕，王國(guó)霞

（1. 華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2. 河南省水工結(jié)構(gòu)安全工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046；3. 西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

1 研究背景

泵站是灌區(qū)發(fā)展的最主要建筑物，前池是泵站的重要組成部分，其主要作用是引導(dǎo)水流平穩(wěn)進(jìn)入泵站進(jìn)水池，保證水泵良好的進(jìn)水條件。泵站前池水流流態(tài)的好壞直接影響泵站的水力性能、運(yùn)行效率以及使用壽命，尤其對(duì)于具有開(kāi)敞式進(jìn)水池供吸水管直接吸水的泵站。另外對(duì)于多泥沙河流提水泵站，前池不良流態(tài)還會(huì)引起前池泥沙淤積問(wèn)題，進(jìn)一步惡化泵站進(jìn)水條件，情況嚴(yán)重的甚至?xí)绊懕谜镜恼＿\(yùn)行［1-2］。

目前本領(lǐng)域的學(xué)者和工程技術(shù)人員針對(duì)泵站前池水流流態(tài)和整流措施方面開(kāi)展了一定的研究，Constantinescu 等［3］利用Standardk-ε方程對(duì)泵站前池的漩渦進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬所得池內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)與模型試驗(yàn)所得結(jié)果相一致，同時(shí)指出湍流模型的選擇以及邊界條件的處理會(huì)對(duì)漩渦強(qiáng)度以及出現(xiàn)的位置產(chǎn)生影響。Nakato 等［4］在Chicot 湖取水泵站模型試驗(yàn)研究中，針對(duì)泵站前池構(gòu)建了1∶24 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，得出泥沙淤積分布與平均流速、平均水深以及水流流態(tài)的關(guān)系密切。羅燦等［5］針對(duì)某閘站結(jié)合式側(cè)向進(jìn)水泵站運(yùn)用CFD 技術(shù)對(duì)原型前池和進(jìn)水池水流流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析并選擇了三段型隔離墩、立柱與后隔板相結(jié)合的組合整流措施。周濟(jì)人等［6］針對(duì)某側(cè)向進(jìn)水泵站，應(yīng)用CFX 軟件，基于雷諾時(shí)均N-S方程和Standardk-ε湍流模型對(duì)前池流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析并確定了導(dǎo)流墻為最優(yōu)整流方案。夏臣智等［7］針對(duì)某正向進(jìn)水泵站，應(yīng)用Fluent 軟件，基于RNGk-ε模型對(duì)加單排方柱的前池流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了單排方柱的幾何參數(shù)對(duì)前池流態(tài)改善的影響，研究表明在前池內(nèi)增加單排方柱可以顯著改善流態(tài)。

分析已有研究，主要采用的研究手段為縮比模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，筆者認(rèn)為已有研究存在以下4點(diǎn)不足之處：①受原位前池流態(tài)數(shù)據(jù)難以獲取以及原位試驗(yàn)成本高的限制，泵站前池物理試驗(yàn)幾乎均采用縮比模型試驗(yàn)，然而縮比模型試驗(yàn)均存在一定的比尺效應(yīng)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確表達(dá)泵站前池流態(tài)的真實(shí)情況；②泵站前池的數(shù)值模擬分析，或直接采用原型前池結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建幾何模型，模擬結(jié)果缺少準(zhǔn)確性驗(yàn)證，或以物理縮比模型為基礎(chǔ)構(gòu)建幾何模型進(jìn)行數(shù)值分析，并以縮比模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，造成模型比尺效應(yīng)影響的進(jìn)一步放大；③多數(shù)數(shù)值模擬研究采用的是單相流模擬即清水工況，對(duì)于水源渾濁或含泥沙的情況鮮有考慮；④對(duì)于存在泥沙淤積問(wèn)題的泵站前池，淤積狀態(tài)復(fù)雜，物理模型及數(shù)值模擬幾何模型構(gòu)造難度極大，因此多數(shù)研究?jī)H以原型前池作為研究對(duì)象，而針對(duì)原位前池的流態(tài)研究十分匱乏。

為探索多泥沙河流側(cè)向進(jìn)水泵站不同開(kāi)機(jī)組合對(duì)前池流態(tài)的影響，選取甘肅省景泰川電力提灌工程灌區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)“景電灌區(qū)”）一期總干三泵站的側(cè)向前池作為研究對(duì)象，同時(shí)考慮上述分析的問(wèn)題，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬為手段，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣、超聲波多普勒流速流向儀、逆向工程技術(shù)等方法和工具分析和獲取泵站引水含沙情況、現(xiàn)場(chǎng)前池流態(tài)情況以及原位前池幾何狀態(tài)，為采用數(shù)值模擬開(kāi)展本研究提供良好的基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

景電灌區(qū)是位于我國(guó)西北干旱區(qū)的大Ⅱ型梯級(jí)引黃灌區(qū)，建有泵站40 余座，設(shè)計(jì)提水流量28.6 m3/s。一期總干三泵站為側(cè)向進(jìn)水泵站，其前池進(jìn)水流向與水泵吸水管中心線斜交，泵站共布置有8臺(tái)套機(jī)組，1#-5#機(jī)組型號(hào)32sh-9（大機(jī)）、6#-8#機(jī)組型號(hào)24sh-9（小機(jī)），泵站設(shè)計(jì)流量10.6 m3/s，設(shè)計(jì)水位1449.95 m，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，側(cè)向進(jìn)水前池水流流態(tài)分布不均，存在不同尺度的回流漩渦，沿前池右邊壁的前池進(jìn)口附近及末端存在不同程度的泥沙淤積（如圖2所示），較嚴(yán)重的會(huì)淤塞末端水泵吸水管，嚴(yán)重制約泵站提水運(yùn)行效率的充分發(fā)揮。

圖1 典型側(cè)向進(jìn)水前池結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 側(cè)向進(jìn)水前池泥沙淤積情況

2.1 灌區(qū)引水泥沙含量及粒徑分析景電灌區(qū)自黃河取水，年平均含沙量約為30.0 kg/m3，汛期最大含沙量約為382 kg/m3，泵站引水含沙量高是造成泵站前池泥沙淤積的最根本原因［8］。對(duì)典型泵站前池內(nèi)的水流和淤積泥沙進(jìn)行取樣分析，分析結(jié)果詳見(jiàn)表1。

由表1 可知，灌區(qū)前池內(nèi)淤積的泥沙顆粒粒徑小于0.075 mm 所占的百分比為93.76%，屬于粉質(zhì)沙土。可見(jiàn)，景電灌區(qū)泵站引水含沙量高，泥沙粒徑小，可視為泥沙充分混合分布于水流中，隨水流動(dòng)。攜沙水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同于清水水流，因此研究中考慮泥沙的影響能夠更為準(zhǔn)確的反映現(xiàn)實(shí)情況。

表1 景電灌區(qū)引水含沙粒徑分析結(jié)果

2.2 原位前池結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集為獲取淤積狀態(tài)下的典型前池三維幾何模型，采用Leica HSD C10三維激光掃描儀對(duì)淤積狀態(tài)下的泵站前池進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)多站點(diǎn)掃描，獲取前池結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用儀器配套的Cyclone 后處理軟件對(duì)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和配準(zhǔn)，得到典型泵站前池的點(diǎn)云模型［9-10］，如圖3所示，為后續(xù)原位前池逆向建模提供了基礎(chǔ)圖件。

圖3 側(cè)向前池點(diǎn)云模型

2.3 原位前池現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流選用HXH03-1S 型超聲波多普勒流速流向儀對(duì)原位前池流速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量［11-12］，該儀器是在聲學(xué)“多普勒效應(yīng)”的基礎(chǔ)上制造而成，利用超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)流速，無(wú)旋漿、軸承等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，測(cè)量點(diǎn)在機(jī)體前方，不破壞流場(chǎng)，具有測(cè)量精度高、感應(yīng)靈敏、不易受泥沙或雜物干擾、操作簡(jiǎn)便、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試儀器。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流選取水泵吸水管處（區(qū)域Ⅰ）、前池外側(cè)邊壁處（區(qū)域Ⅱ）以及前池入口處（區(qū)域Ⅲ）共3個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行流速測(cè)量，在每個(gè)區(qū)域布置多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，使用鋼卷尺現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定測(cè)量點(diǎn)，分別對(duì)每個(gè)區(qū)域水深1 m、2 m處的水流流速進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，測(cè)速一次歷時(shí)30 s，測(cè)流工況為6#、7#機(jī)組關(guān)閉，其余機(jī)組開(kāi)啟。具體測(cè)流點(diǎn)位布置及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流實(shí)施如圖4、圖5 所示。運(yùn)用Surfer 軟件對(duì)測(cè)取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別繪制3個(gè)典型區(qū)域水深1 m、2 m處流速等值線圖如圖6所示。

由圖6（a）（b）可以看出，區(qū)域Ⅰ受主流和機(jī)組運(yùn)行的影響，在不同水深處前池左側(cè)流速大于右側(cè)，且隨水深增加，右側(cè)低流速區(qū)范圍隨之增大；由圖6（c）（d）可以看出，區(qū)域Ⅱ水流整體流速較小，出現(xiàn)了較多漩渦回流區(qū)，為泥沙在該區(qū)域內(nèi)沉降淤積創(chuàng)造了條件，漩渦主要集中在表層1m 深處，隨著水深增加漩渦有所減少，但整體流速變化不大；由圖6（e）（f）可以看出，區(qū)域Ⅲ水流流速較大且集中分布，受吸水管吸水和右邊壁漩渦對(duì)主流擠壓作用的影響，主流進(jìn)入前池后向左側(cè)偏移，入口右側(cè)隨著水深增加低流速區(qū)范圍擴(kuò)大?？梢?jiàn)，水流進(jìn)入側(cè)向前池后，主流向水泵吸水管一側(cè)偏移，泥沙淤積主要集中在前池右側(cè)邊壁處。綜上可知，實(shí)測(cè)水流流態(tài)表現(xiàn)為水泵吸水管附近流速較大，未開(kāi)機(jī)機(jī)組處流速幾乎為零，前池右側(cè)邊壁處流速較小且存在大量的小漩渦，前池入口處主流向左側(cè)偏移，泥沙淤積分析情況與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況相符。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流點(diǎn)布置圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流過(guò)程照片

圖6 各區(qū)域流速等值線圖

3 數(shù)值模型構(gòu)建與驗(yàn)證

基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論［13］，針對(duì)典型泵站前池建立三維幾何模型，利用Fluent軟件以Re?alizablek-ε模型和Mixture 模型為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬［14-15］，采用二階迎風(fēng)格式的隱式求解以確保計(jì)算精度［16］，并選用基于分離求解器的SIMPLEC算法進(jìn)行流場(chǎng)耦合［17］。

3.1 控制方程與邊界條件

（1）控制方程。本研究將水沙兩相流為不可壓縮流體（密度為常數(shù)），不計(jì)流體的熱交換量，忽略能量方程，則Mixture模型的連續(xù)性方程為：

Mixture模型的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：ρm為混合流體密度；ρk為第k相的密度；αk為第k相的體積分?jǐn)?shù)；為混合流體的平均流速矢量；p為流場(chǎng)壓力；μm為流體（混合流體）黏滯性系數(shù)；μk為第k相湍流運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；為重力加速度；為體積力；為次相等k相的漂移速度；為次相等k相的流速。

（2）邊界條件。泵站前池?cái)嗝娉叽缂氨谜玖髁烤阎俺剡M(jìn)口斷面處平均流速可求，故選用速度進(jìn)口條件；出口壓力和流速均未知，假定出口邊界對(duì)上游水流運(yùn)動(dòng)無(wú)影響，水流視為完全發(fā)展流動(dòng)，設(shè)置出口邊界條件為outflow；泵站前池自由表面受外部環(huán)境擾動(dòng)較小，浮動(dòng)變化可以忽略，同時(shí)考慮到網(wǎng)格劃分以及對(duì)計(jì)算時(shí)間的要求，選用剛蓋假定法對(duì)自由表面進(jìn)行模擬計(jì)算，將自由表面條件設(shè)置為symmetry；對(duì)于固壁邊界，均選擇無(wú)滑移條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)湍流未充分發(fā)展區(qū)域進(jìn)行修正。計(jì)算介質(zhì)為水和沙，主相是水，密度為1000 kg/m3；次相是沙，密度為2500 kg/m3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，泥沙顆粒粒徑小于0.075 mm 所占的百分比為93.76%，有關(guān)研究表明，細(xì)小顆粒沙能夠充分跟隨水流運(yùn)動(dòng)，與水流之間無(wú)明顯的相間速度差，故忽略相間滑移，進(jìn)行均勻兩相流模擬［18］。

3.2 原位前池幾何模型逆向重構(gòu)與網(wǎng)格劃分逆向工程技術(shù)是一種實(shí)物的數(shù)字化技術(shù)，即在缺少圖紙或沒(méi)有CAD 模型的情況下，利用先進(jìn)的測(cè)量掃描技術(shù)將已有的實(shí)物或模型表面數(shù)字化，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)得到其CAD模型［19-21］。

現(xiàn)場(chǎng)利用Leica HSD C10 瑞士徠卡三維激光掃描儀獲取了淤積狀態(tài)下典型泵站前池的點(diǎn)云模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Geomagic wrap 軟件逆向重構(gòu)原位前池三維幾何模型，如圖7（a）所示。將幾何模型導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行修補(bǔ)完善，增加上游10 m引水渠、漸變段并補(bǔ)充水泵吸水管作為完整計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，并綜合考慮計(jì)算精度和經(jīng)濟(jì)性，本文優(yōu)化后的網(wǎng)格數(shù)為197.32萬(wàn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7 原位前池三維幾何模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.3 原位前池流態(tài)模擬分析將ICEM軟件生成的.msh網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行模擬分析，模擬工況與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流工況保持一致，模擬計(jì)算精度均取10-4。圖8 為模擬得出的原位前池內(nèi)水流表層、水深1 m、2 m、3 m及3.5 m共5處水平特征斷面流速矢量分布情況，圖例單位：m/s。

圖8 原位前池不同深度處流速矢量分布圖

由圖8可知，由于前池右側(cè)邊壁處泥沙淤積的存在，造成表面回流區(qū)向吸水管一側(cè)偏移，回流區(qū)范圍約占前池容量的三分之二。圖8（a）表明回流區(qū)向前池中部逐漸擴(kuò)散，進(jìn)一步對(duì)主流造成擠壓，使得主流完全貼近前池左側(cè)邊壁流動(dòng)；圖8（b）—（e）表明前池內(nèi)部泥沙主要淤積于前池進(jìn)口至前池中部右側(cè)邊壁處以及末端正對(duì)未開(kāi)啟機(jī)組處，而前池末端的8#機(jī)組開(kāi)啟，其附近泥沙淤積量相對(duì)較少，但因8#機(jī)組流量較小，其附近仍存在低流速區(qū)。綜上可知，淤積后的前池水流流態(tài)紊亂，池內(nèi)泥沙的存在擠占水流空間，使得回流區(qū)向前池中部吸水管一側(cè)擴(kuò)散，吸水管口附近水流流向與吸水管中心線夾角幾乎呈90°，十分不利于水泵的高效安全運(yùn)行。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果基本吻合，初步驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。

3.4 模型定量驗(yàn)證為定量驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程的準(zhǔn)確性，在區(qū)域I 的Y=-2.5 m 剖面上沿水深方向取2條測(cè)線，2條測(cè)線沿Z軸的坐標(biāo)分別為Z=1 m和Z=2 m，在兩條測(cè)線上各布設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)沿X軸的坐標(biāo)分別與吸水管中心線一一對(duì)應(yīng)，實(shí)測(cè)流速均采用絕對(duì)值，圖9為測(cè)流點(diǎn)位布置示意圖，圖10為各測(cè)點(diǎn)上的Y軸方向?qū)崪y(cè)流速結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。同時(shí)，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，即利用平均絕對(duì)誤差（MAE）［22］和均方根誤差（RMSE）［23］進(jìn)行誤差分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)圖10和表2分析可知，各測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流速結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值上存在的差異較小，且整體變化趨勢(shì)相一致，二者平均絕對(duì)誤差最大值為0.27，均方根誤差最大為0.056，誤差分析滿(mǎn)足精度要求。可見(jiàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)流結(jié)果相近，進(jìn)一步定量分析了數(shù)值模擬在本研究中應(yīng)用的可靠性。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流點(diǎn)布置示意圖

圖10 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

表2 實(shí)測(cè)值與模擬值計(jì)算誤差分析

4 原型前池不同開(kāi)機(jī)組合條件下流態(tài)模擬分析

本研究利用數(shù)值模擬方法分析不同開(kāi)機(jī)組合對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站原型前池流態(tài)的影響，擬通過(guò)優(yōu)化泵站開(kāi)機(jī)組合以達(dá)到改善側(cè)向前池流態(tài)，減少泥沙淤積的目的，開(kāi)機(jī)組合方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

針對(duì)原型前池建立幾何模型并劃分網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后，優(yōu)化的網(wǎng)格單元總數(shù)約為200.03萬(wàn)，利用上述經(jīng)驗(yàn)證可靠的數(shù)值模型，分別對(duì)以上10 種不同的開(kāi)機(jī)組合工況進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)值模擬，獲取各方案穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的原型前池水流流態(tài)。選取水深1.5m 處為特征斷面，得到各方案前池水流流速分布矢量圖如圖11所示，圖例單位：m/s。

方案（1）—（3）模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)前池末端僅開(kāi)啟1臺(tái)小機(jī)時(shí)，前池內(nèi)水流流態(tài)基本以隔墩為界，水流在繞過(guò)隔墩前，主流在吸水管吸水的作用下向左側(cè)偏斜，受到前墻阻隔后向兩側(cè)擴(kuò)散，在3#和4#機(jī)組吸水管附近，水流流向與吸水管中心線方向夾角近90°，嚴(yán)重惡化了水泵的吸水條件。水流在繞過(guò)隔墩后，開(kāi)啟6#小機(jī)時(shí)，未開(kāi)啟的7#、8#機(jī)組附近流速幾乎為零，形成大范圍的靜水區(qū)，開(kāi)啟8#小機(jī)時(shí)，低流速區(qū)范圍依然較大，開(kāi)啟7#小機(jī)時(shí)，靜水區(qū)范圍有所減小，但流速仍然較低。

表3 泵站開(kāi)機(jī)組合方案設(shè)計(jì)

方案（4）—（6）模擬結(jié)果分析可知，同時(shí)開(kāi)啟2臺(tái)小機(jī)時(shí)，3種方案前池內(nèi)部流態(tài)分布差別仍然較小，水流在繞過(guò)隔墩前，主流偏斜程度略有減小，但受前池中部漩渦擠壓嚴(yán)重，在1#機(jī)組前端均產(chǎn)生了小范圍的回流區(qū)，僅2#機(jī)組進(jìn)水條件較好，3#機(jī)組進(jìn)水條件次之，4#機(jī)組吸水管附近水流流向與吸水管中心線夾角約70°，進(jìn)水條件較差。水流在繞過(guò)隔墩后，相較于方案（1）—（3），水流流態(tài)有所改善，前池末端水流流速增加，靜水區(qū)域范圍縮小，且主要分布于右側(cè)邊壁處。

方案（7）—（9）模擬結(jié)果分析可知，水流繞過(guò)隔墩前，受末端機(jī)組全開(kāi)的影響，主流向右偏斜，關(guān)閉2#機(jī)組時(shí)，主流向右側(cè)偏斜最為嚴(yán)重，造成1#機(jī)組附近回流區(qū)范圍較大，進(jìn)水條件較差；關(guān)閉3#機(jī)組時(shí)，主流偏斜程度減小，但前池右側(cè)邊壁處仍存在大范圍的帶狀回流區(qū)；關(guān)閉4#機(jī)組時(shí)，主流偏斜程度以及1#機(jī)組附近回流區(qū)范圍均進(jìn)一步減小，但3#機(jī)組處水流較為紊亂。水流繞過(guò)隔墩后，相較于方案（1）—（6），由于3 臺(tái)小機(jī)組全部開(kāi)啟，前池末端流速顯著增加，靜水區(qū)范圍也進(jìn)一步縮小，但方案（7）、（8）前池末端均出現(xiàn)了較明顯的漩渦區(qū)，吸水管取水條件較差。

方案（10）模擬結(jié)果分析可知，8臺(tái)機(jī)組全開(kāi)，相較方案（1）—（9），水流繞過(guò)隔墩前，前池入口處主流流速有所提升，且主流兩側(cè)產(chǎn)生的回流區(qū)范圍相對(duì)較小，前池中部水流流態(tài)分布相對(duì)均勻。水流繞過(guò)隔墩后，流態(tài)也相對(duì)較好，但由于3 臺(tái)小機(jī)組流量較小，前池末端仍存在一定范圍的靜水區(qū)域。

綜上可知，對(duì)于原型側(cè)向泵站前池，機(jī)組不完全開(kāi)啟對(duì)前池水流流態(tài)有著相當(dāng)程度的影響，尤其是末端機(jī)組未開(kāi)啟時(shí)，前池流態(tài)最差；前端機(jī)組未開(kāi)啟時(shí)次之；中部機(jī)組未開(kāi)啟時(shí)相對(duì)略有改善；泵站機(jī)組全部開(kāi)啟時(shí)，前池水流流態(tài)最好，但受機(jī)組布置不合理，小流量機(jī)組均布置在前池末端的影響，前池流態(tài)仍不理想。此外，一般情況下泵站設(shè)計(jì)有備用機(jī)組，日常運(yùn)行時(shí)機(jī)組的不完全開(kāi)啟是常態(tài)，因此在類(lèi)似泵站工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化機(jī)組的布置，優(yōu)化泵站運(yùn)行方式，進(jìn)而達(dá)到改善前池水流流態(tài)的目的。

5 討論與結(jié)論

圖11 不同開(kāi)機(jī)組合下原型前池水流流速矢量分布圖（Z=1.5m）

本文引入逆向工程技術(shù)，利用獲取的淤積狀態(tài)下側(cè)向前池點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)原位側(cè)向前池幾何模型，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邊界的原位前池幾何模型構(gòu)建及原位前池流態(tài)模擬分析提供了一種高效可行的新手段；幾何模型構(gòu)建均采用側(cè)向前池原始尺寸，且以采集的原位前池流態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)模型可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，有效避免了物理縮比模型試驗(yàn)因比尺效應(yīng)帶來(lái)的誤差；另外，數(shù)值模擬采用Mixture 模型進(jìn)行簡(jiǎn)化的均勻兩相流模擬，考慮了泥沙對(duì)前池水流流態(tài)的影響，使模擬研究更為切合實(shí)際。本研究采用的方法理論對(duì)前文所分析的4 點(diǎn)不足之處做出了很好的響應(yīng)，且獲得了令人滿(mǎn)意的研究結(jié)果。通過(guò)本研究，主要得出以下4方面結(jié)論：

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原位側(cè)向前池內(nèi)，主流向吸水管一側(cè)偏斜嚴(yán)重，前池右側(cè)邊壁處形成帶狀回流區(qū)，前池末端未開(kāi)機(jī)機(jī)組處形成大范圍的靜水區(qū)，泥沙淤積主要分布于右側(cè)邊壁或前池末端，惡化前池水流流態(tài)，嚴(yán)重影響了泵站性能的發(fā)揮。

（2）數(shù)值模擬原位側(cè)向前池水流流態(tài)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果相吻合，初步驗(yàn)證了數(shù)值模擬過(guò)程的可靠性，同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流進(jìn)一步定量驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，表明數(shù)值模擬可以有效、準(zhǔn)確地模擬分析側(cè)向前池的水流流態(tài)。

（3）運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)值模型對(duì)10 種不同開(kāi)機(jī)組合方案下的原型側(cè)向前池流態(tài)進(jìn)行模擬分析可知，泵站開(kāi)機(jī)組合對(duì)前池流態(tài)有一定程度的影響，因側(cè)向前池結(jié)構(gòu)的特殊性，主流擴(kuò)散方式異于正向前池，機(jī)組對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟，同時(shí)避免兩端機(jī)組停機(jī)尤其是末端機(jī)組停機(jī)，側(cè)向前池水流流態(tài)較好。

（4）針對(duì)該典型側(cè)向前池，最優(yōu)的開(kāi)機(jī)組合仍不能獲得比較滿(mǎn)意的流態(tài)效果，在類(lèi)似泵站工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免采取側(cè)向前池形式，必須采用時(shí)，需考慮機(jī)組的合理布置及有效的整流工程措施，同時(shí)配合優(yōu)化的開(kāi)機(jī)組合，以進(jìn)一步改善側(cè)向前池流態(tài)。