付愛華

(1.南昌大學，江西 南昌 330031；(2.中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400)

進、出水流道是低揚程泵裝置的重要組成部分[1]。重要的大型泵站宜對泵裝置進行三維流動數(shù)值計算分析，并應(yīng)進行裝置模型試驗驗證[2]。流道的水力性能對泵站的影響舉足輕重,其水力設(shè)計質(zhì)量的好壞不僅影響泵裝置效率,而且影響泵站的安全穩(wěn)定運行[3]。陸林廣、湯方平等專家學者在泵裝置CFD水力優(yōu)化設(shè)計方面進行了系統(tǒng)的研究并取得了豐碩的成果，為我國泵裝置水力性能的提高和泵站技術(shù)的進步做出了巨大的貢獻[4-9]。

為保證西河泵站工程泵裝置穩(wěn)定、可靠和高效運行，在泵站進、出水流道設(shè)計時，先根據(jù)所選泵型、工程經(jīng)驗初擬進、出水流道型式和尺寸，然后采用三維流動數(shù)值計算軟件對泵站進、出水流道尺寸進行優(yōu)化計算。在該工程的初步設(shè)計階段，建設(shè)單位、設(shè)計單位和揚州大學進行了進、出水流道和泵裝置CFD優(yōu)化設(shè)計計算研究工作，取得了較好的效果。本文介紹西河泵站工程雙向豎井貫流泵裝置出水流道(排澇時為出水流道，引水時為進水流道，下同)優(yōu)化設(shè)計。

1 工程概況

西河泵站工程位于廣東省中山市中順大圍西干堤岐江河西出口的西河水閘西側(cè)，外臨西江磨刀門水道。工程的主要任務(wù)是排澇、防洪(潮)，兼顧反向應(yīng)急補水。泵站排澇設(shè)計流量400m3/s、引水設(shè)計流量145m3/s、泵站總裝機容量18400kW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型，屬特大流量特低揚程泵站。泵站采用8臺前置豎井貫流泵裝置(其中4臺為單向泵、4臺為雙向泵)，單泵設(shè)計排澇流量為50.00m3/s、單泵設(shè)計引水流量為36.25m3/s，水泵葉輪直徑為3.90m，進、出水流道均采用直管式流道[10]。泵站特征水位和凈揚程見表1。西河泵站屬于特低揚程泵站，為實現(xiàn)泵裝置的高效運行，必須對流道進行必要的優(yōu)化設(shè)計。

表1 西河泵站特征水位和凈揚程 單位：m

2 可研初擬的出水流道型式及其尺寸

設(shè)計單位在可研階段根據(jù)工程的特征參數(shù)以及已建類似泵站的經(jīng)驗，經(jīng)工程類比和初步分析，初擬泵站的出水流道采用直管式流道，流道出口斷面至水泵葉輪中心的長度為26.50m，其中流道總長(導葉體出口到流道出口，含閘門段，下同)為23.873m，流道出口斷面的寬度和高度分別為10.00m和5.50m，流道內(nèi)不設(shè)中隔墩，流道平面擴散角16.94°、當量擴散角11.77°，設(shè)計排澇流量50.00m3/s時流道出口斷面平均流速0.909m/s、設(shè)計引水流量36.25m3/s時流道進口斷面平均流速0.659m/s。可研初擬的泵站出水流道單線圖見圖1。

圖1 可研初擬的出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

3 出水流道優(yōu)化設(shè)計

3.1 水力優(yōu)化設(shè)計目標

對西河泵站出水流道進行水力優(yōu)化設(shè)計，以水頭損失為檢驗指標，要求達到以下目標：?流道型線變化盡可能均勻，流道內(nèi)的水流轉(zhuǎn)向有序、擴散平緩，以盡可能避免流道內(nèi)產(chǎn)生渦流及其他不良流態(tài)；?盡可能多地回收水流的動能，最大限度地減少流道水頭損失；?流道控制尺寸取值合理，滿足水力設(shè)計允許的工程控制參數(shù)要求。同時，由于排澇工況的出水流道亦為引水工況的進水流道，此時，還要求達到以下目標：?流道內(nèi)水流收縮均勻，無渦流及其他不良流態(tài)；?流道出口斷面的流速分布盡可能均勻、水流方向盡可能垂直于出口斷面[11]。

3.2 水力優(yōu)化設(shè)計控制方程與計算軟件

出水流道內(nèi)的三維湍流流動的數(shù)值計算用連續(xù)方程和 Navier-Stokes方程進行描述；考慮到湍流流動的脈動特性，采用時均法把湍流運動看作是時間平均流動和瞬時脈動流動的疊加；為了使方程組封閉，采用標準k-ε模型，引入反映湍動能的k方程和反映湍動能耗散率的ε方程。

隨著近年來計算流體動力學方法(CFD)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，許多用于求解三維雷諾平均N-S方程和多種湍流模型方程組的專用軟件應(yīng)運而生。本次對西河泵站工程出水流道三維湍流流動的數(shù)值計算采用的是目前國際上應(yīng)用廣泛的Fluent軟件，此軟件已被大量地用于模擬泵裝置進、出水流道和水泵內(nèi)部的流動，進行泵裝置的性能預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計。

3.3 水力優(yōu)化設(shè)計方案及計算成果

流道優(yōu)化設(shè)計先按可研階段初擬的流道型線(編號為SC1)進行CFD數(shù)值計算，然后在該方案的基礎(chǔ)上對出水流道進行型線優(yōu)化，提出優(yōu)化方案SC2～SC4，具體如下：

a.SC2方案。在SC1方案的基礎(chǔ)上進行以下調(diào)整：?對導葉體出口與混凝土流道之間的連接段進行調(diào)整；?將出水流道斷面圓變方段的長度由 14.68m減短為8.80m，以增大流道斷面面積，同時便于施工。

b.SC3方案。在SC2方案的基礎(chǔ)上進行以下調(diào)整：?將出水流道頂板的仰角由3.12°調(diào)整為5.19°；?對出水流道型線進行相應(yīng)調(diào)整。

c.SC4方案。在SC3方案的基礎(chǔ)上進行以下調(diào)整：?出水流道出口斷面至水泵葉輪中心的長度由26.50m減短為25.50m；?在出水流道出口閘門段增設(shè)長度為9.55m、厚度為1.20m的中隔墩；?出水流道出口斷面寬度由10.00m增加至10.70m。

SC2～SC4方案的流道單線圖見圖2～圖4。

圖2 SC2方案出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

圖3 SC3方案出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

圖4 SC4方案出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

根據(jù)以上方案，采用Fluent軟件進行數(shù)值計算，各方案計算結(jié)果匯總見表2，SC3、SC4方案流場見圖5～圖8。

表2 出水流道水力優(yōu)化計算結(jié)果匯總

圖5 SC3Z方案出水流道流場圖

3.4 水力優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

由表2可以看出：可研階段初擬的出水流道(SC1方案)正、反向的水頭損失較小；反向運行時流道內(nèi)流速分布較均勻、水流方向基本垂直流道出口斷面。出水流道優(yōu)化后，SC3方案較SC1方案和SC2方案水力條件總體有所改善，但效果不太明顯；在正向運行工況時，水頭損失減小0.002m，減小率為1.96%；在反向運行工況時，水頭損失減小0.0012m，減小率為1.95%。由圖5和圖6可以看出：SC3方案正向排澇工況受流道進口環(huán)量的影響，水流呈螺旋狀進入出水流道；出水流道內(nèi)水流的旋轉(zhuǎn)運動從流道進口一直持續(xù)到流道出口，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下流暢地完成擴散過程；水流在整個流道內(nèi)的擴散均勻平緩，在旋轉(zhuǎn)水流所具有的離心力作用下，流道斷面四周的流速大于中心的流速，流道內(nèi)未出現(xiàn)明顯的水流脫壁或旋渦等不良流態(tài)；SC3方案反向引水工況流道內(nèi)的流速由進口至出口逐漸增大，整個進水流道內(nèi)的水流收縮平緩、流速分布均勻、流線層次分明，無任何不良流態(tài)。說明可研階段擬定的出水流道方案基本合理。

圖6 SC3F方案進水流道流場圖

由表2還可以看出：SC4方案較SC3方案和SC1方案水力條件稍差，但差距不大；在正向運行工況時，水頭損失增加分別為0.0127m和0.0147m；在反向運行工況時，水頭損失增加分別為0.0062m和0.0074m。由圖7和圖8可以看出：SC4方案正向排澇工況流道內(nèi)增設(shè)中隔墩后，在中隔墩附近雖存在小范圍低速區(qū)，但水流總體擴散平緩，流道內(nèi)無不良旋渦；SC4方案反向引水工況進水流道的水流收縮均勻，流道出口流速分布均勻，水流方向基本垂直于流道出口斷面。說明SC4方案從水力條件上講不如SC3方案和SC1方案，但其水頭損失和水力性能相差不大，流道水力性能仍屬優(yōu)異。

圖7 SC4Z方案出水流道流場圖

圖8 SC4F方案進水流道流場圖

3.5 出水流道最終設(shè)計方案選擇

眾所周知，泵站進、出水流道設(shè)計不但要考慮流道的水力性能，還要結(jié)合泵型、泵站運行年利用小時數(shù)、泵房布置等因素經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

西河泵站是排澇泵站，兼顧反向應(yīng)急補水功能，與供水泵站和調(diào)水泵站相比，其年利用小時數(shù)很低。根據(jù)中山市類似泵站的運行情況預(yù)測，其單泵年排澇開機在200h左右，雙向泵單泵年反向引水開機預(yù)計在400h以內(nèi)。以SC3方案為基準，SC4方案因水力性能差距在項目全生命周期(50年)的增量電費估算結(jié)果見表3。

表3 SC4方案增量電費估算結(jié)果

由表3可見：若采用SC4方案的出水流道，比采用SC3方案預(yù)計在泵站全生命周期增加運行電費僅為31.72萬元。

由圖3和圖4可知：若采用SC4方案，泵房順水流方向長度將比SC3方案減短1.00m，有利于節(jié)省泵房鋼筋混凝土工程量。出水流道內(nèi)增設(shè)中隔墩后，為保持流道的凈寬，流道邊墻會隨之減薄；與此同時，因出水流道底、頂板垂直水流方向跨度減小，也可適當減薄出水流道底、頂板厚度，這都將減小泵房鋼筋混凝土工程量。另外，出水流道內(nèi)增設(shè)中隔墩，不但可減小泵站出水流道閘門跨度和工程量，而且還因出水流道的閘門變窄可采用單吊點啟閉機啟閉，也將有利于節(jié)約工程投資，還可提高閘門運行的安全可靠性。

出水流道若采用SC4方案，與SC3方案相比，其工程造價降低額估算見表4。

表4 SC4方案降低工程造價估算

由表4可見：若采用SC4方案的出水流道,比采用SC3方案預(yù)計可降低工程造價1068.75萬元，從項目全生命周期的總投資來看，若采用SC4方案可節(jié)約成本1037萬元。

因此，綜合考慮流道水力性能、泵型、泵站運行年利用小時數(shù)、泵房布置等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后，西河泵站工程雙向豎井貫流泵裝置出水流道最終推薦采用SC4方案，即：采用直管式出水流道，流道出口斷面至水泵葉輪中心的長度為25.50m(其中出水流道總長為22.873m)，流道出口斷面的寬度和高度分別為10.70m和5.50m，流道設(shè)1.20m厚的中隔墩，流道平面擴散角19.65°、當量擴散角11.75°，設(shè)計排澇流量50.00m3/s時出口斷面平均流速0.957m/s、設(shè)計引水流量36.25m3/s時進口斷面平均流速0.694m/s。

4 結(jié) 語

a.在對西河泵站雙向豎井貫流泵裝置出水流道水力優(yōu)化分析計算的基礎(chǔ)上，綜合考慮流道水力性能、泵型、泵站運行年利用小時數(shù)、泵房布置等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后，推薦采用的西河泵站工程出水流道SC4方案水力性能優(yōu)異、項目全生命周期投資最省。

b.由于現(xiàn)行《泵站設(shè)計規(guī)范》規(guī)定出水流道當量擴散角宜取8°～12°，而推薦的西河泵站出水流道方案當量擴散角為11.75°，已接近規(guī)范推薦值的上限，雖經(jīng)CFD計算后所推薦的出水流道水頭損失仍較小，但因規(guī)范所限，未采用進一步縮短出水流道的方案。建議以全生命周期的投資最省的原則，得出可能的更經(jīng)濟方案，為今后類似泵站的流道設(shè)計提供參考。

c.出水流道擴散角對流道出水流態(tài)和水力性能的影響很大,是大型低揚程泵站出水流道三維型體水力設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一?，F(xiàn)行《泵站設(shè)計規(guī)范》以當量擴散角作為出水流道主要水力控制指標，當量擴散角法實際上是將出水流道三維問題簡化為二維問題來計算,完全不能反映流道中隔墩的影響，在很大程度上也不能反映流道內(nèi)水流的實際情況,更不能滿足現(xiàn)代大型低揚程泵站建設(shè)的高標準、高要求。隨著CFD理論和技術(shù)水平的不斷進步,現(xiàn)已完全具備了采用三維計算方法對流道進行水力優(yōu)化設(shè)計的條件。建議在現(xiàn)行《泵站設(shè)計規(guī)范》修編時，對大中型泵站應(yīng)要求進行流道CFD水力計算，以水頭損失作為流道水力性能主要考核指標；對供水、調(diào)水泵站以當量擴散角和平面擴散角作為流道水力設(shè)計參考指標，對排澇泵站可不考核流道擴散角。