井頭泵站出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)及影響分析

郭 瑞 吳 昊 王 麗

（淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安 223005）

井頭泵站位于宿遷市城區(qū)北郊、宿遷閘下中運(yùn)河左堤。其功能主要是為來龍灌區(qū)提供灌溉水源，其次是在特殊干旱年份向皂河灌區(qū)、黃墩湖、黃運(yùn)夾灘灌區(qū)和宿遷閘上中運(yùn)河通航補(bǔ)水以及特殊年份向駱馬湖補(bǔ)水。本站設(shè)計(jì)流量為80 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程和平均揚(yáng)程均為1.7 m，最大揚(yáng)程2.7 m。泵站采用豎井式貫流泵裝置5 臺(tái)套，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為16 m3/s，水泵葉輪軸線高程14.35 m；采用平直管進(jìn)出水流道，豎井位于進(jìn)水流道側(cè)。筆者結(jié)合井頭泵站工程建設(shè)的需要，本著提高泵裝置性能及節(jié)省投資的目的，采用Fluent 商用CFD 軟件對優(yōu)化前后的出水流道在設(shè)計(jì)工況下水力特性進(jìn)行計(jì)算分析，得出優(yōu)化后出水流道水力性能，并對土建方面可能節(jié)省的投資進(jìn)行了估算。

圖1 原出水流道示意圖

1 原出水流道主要設(shè)計(jì)參數(shù)

原出水流道設(shè)計(jì)為平直管型，底板水平面高程為▽13.0 m。進(jìn)口斷面為圓形，半徑為1.35 m；出口斷面為矩形，寬度為6.3 m，高度為3.2 m，出口上緣半徑為0.5 m。流道總長為14.5 m，其中，由圓變方段長度為8.394 m，矩形漸變段長4.606 m，矩形段長1.5 m（如圖1）。

2 出水流道優(yōu)化目標(biāo)

出水流道是水泵導(dǎo)葉出口與出水池之間的過渡段，其作用是為了使水流在流向出水池的過程中有序平緩擴(kuò)散，盡可能多地回收水流動(dòng)能。出水流道水頭損失的大小是衡量其水力性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)［1］。

對出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的要求可概括為以下幾點(diǎn)：

（1）適當(dāng)加大出水流道出口斷面的面積，盡量降低流道出口斷面的流速，盡可能多地回收水流的動(dòng)能；

（2）流道線型變化平緩，盡可能避免水流在擴(kuò)散的過程中產(chǎn)生脫流或渦流，最大限度地減少流道水頭損失；

（3）在滿足出水流道出口上緣淹沒深度要求及減少水力損失的前提下，出水流道底板盡量逐漸抬高，減少基坑深度及泵站出水段翼墻高度。

3 出水流道優(yōu)化計(jì)算方法

采用GAMBIT 軟件對出水流道三維湍流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算區(qū)域進(jìn)行建模和網(wǎng)格剖分，選用非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程、Navier-Stokes 方程、反映湍動(dòng)能的方程和反映湍動(dòng)能耗散率的方程對出水流道內(nèi)水流的流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析［2-4］。

邊界條件設(shè)定：為了準(zhǔn)確應(yīng)用進(jìn)口的邊界條件，將出水流道計(jì)算流場從出水流道進(jìn)口斷面逆水流方向等直徑延伸，使計(jì)算流場的進(jìn)口斷面設(shè)置在距出水流道進(jìn)口2 倍圓管直徑處，并在出水流場的進(jìn)口預(yù)置一定環(huán)量。出口邊界設(shè)置在出水池中距出水流道出口足夠遠(yuǎn)處［1］。在固體邊壁處規(guī)定無滑移條件（即u=v=w=0），在近壁區(qū)采用上述的壁面函數(shù)法［5］。水面設(shè)置為對稱邊界條件［5］。

4 優(yōu)化后出水流道主要設(shè)計(jì)參數(shù)

優(yōu)化后出水流道仍設(shè)計(jì)為平直管型，底板逐漸抬高，底板最低處高程為▽12.87 m，出口處高程為▽13.9 m。進(jìn)口斷面為圓形，半徑為1.315 m；出口斷面為矩形，寬度為6.3 m，高度為3.2 m，根據(jù)泵站總體布置取消出口上緣圓弧段。流道總長為14.393 m，其中，圓形漸擴(kuò)段長1.76 m，由圓變方段長度為7.8 m，矩形漸變段長3.333 m，矩形段長1.5 m（如圖2）。

5 出水流道優(yōu)化水力性能及投資影響分析

通過對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前后水流在整個(gè)出水流道內(nèi)的擴(kuò)散均勻平緩，在旋轉(zhuǎn)水流所具有的離心力作用下，流道內(nèi)未出現(xiàn)水流脫壁或漩渦等不良流態(tài)。但是優(yōu)化后出水流道水利損失由原來的0.177 m 降低至0.086 m，流道損失值降低51%。優(yōu)化前，泵裝置在設(shè)計(jì)揚(yáng)程和平均揚(yáng)程1.70 m 工況下效率為74.8%；優(yōu)化后，效率提高至80.3%。

經(jīng)過優(yōu)化，出水流道出口處底板抬高0.9 m，泵站出水側(cè)翼墻高度降低0.9 m，出水流道連接處鋼筋混凝土護(hù)坦基坑深度減少0.9 m。根據(jù)井頭泵站總體布置需要，初步估算因出水流道優(yōu)化底板抬高，減少土方開挖約750 m3，減少圓弧翼墻混凝土約60 m3，減少工程直接投資約5萬元。

6 結(jié)論

（1）優(yōu)化后出水流道內(nèi)的水頭損失減小，泵裝置效率提高明顯；

（2）通過優(yōu)化抬高出水流道出口底板高程，可以減少土方量、混凝土量，從而減少工程投資。

圖2 優(yōu)化后出水流道示意圖

綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化的出水流道不僅能夠滿足泵站安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行的要求，還能有效減少工程投資。

［1］王麗，鄒新勝，徐磊，王海，李亞楠.井頭泵站豎井式貫流泵裝置流態(tài)及性能分析［J］.南水北調(diào)與水利科技，2014（04）：123-127.

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