矩形雨水泵站設(shè)計(jì)及其三維流態(tài)模擬

雨水泵站是城市排水的重要組成部分，承擔(dān)保證服務(wù)區(qū)域內(nèi)雨水及時(shí)排出的任務(wù)，泵站內(nèi)部各構(gòu)筑物設(shè)計(jì)的合理性是保證雨水泵站高效率運(yùn)行重要環(huán)節(jié)。泵站前池、集水池、出水池的設(shè)計(jì)得當(dāng)與否，直接影響水泵的運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，池內(nèi)流速過快流態(tài)紊亂，給水泵帶來不理想的工作環(huán)境，降低了水泵工況從而增加運(yùn)行成本。

1 工程概況

桃花寺雨水泵站位于天津市北辰區(qū)，南鄰北運(yùn)河，經(jīng)計(jì)算區(qū)域內(nèi)雨水量為17 m3/s，進(jìn)入泵站前雨水管道管徑為雙排2 800 mm。根據(jù)泵站的進(jìn)出水位置，泵站設(shè)計(jì)為“矩形”。

與常見的“酒瓶形”設(shè)計(jì)相比，“矩形”泵站布局緊湊，進(jìn)出水在一個(gè)構(gòu)筑物內(nèi)完成，泵站內(nèi)部空間得以有效利用；但泵站內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，故在設(shè)計(jì)過程中既要保證泵站內(nèi)水流是穩(wěn)流狀態(tài)，也要滿足泵站結(jié)構(gòu)要求。

2 方案設(shè)計(jì)

據(jù)泵站選址與北運(yùn)河的位置關(guān)系，地上建筑面積≯300 m2，采用合建式泵站，即變配電室位于泵站上方，見圖1。合建式泵站布置緊湊、占地少、管理方便。

圖1 泵站總平面布置

工藝流程：4排DN2 400 mm進(jìn)水管→進(jìn)水閘井→格柵井→集水池（經(jīng)泵提升）→壓力出水池→高位出水閘井→雙排3.5 m×3 m方涵出水→八字出水口排入北運(yùn)河，見圖2。

圖2 基本工藝流程

1）格柵共4臺(tái)，通過流速為0.88 m/s。

2）集水池。為保證水泵具有良好的吸水條件，要求集水池中的水流平穩(wěn)，即流速分布均勻，否則不僅會(huì)降低水泵的效率，也會(huì)因水泵汽蝕給機(jī)組帶來擾動(dòng)而無法正常工作[1]。

泵站集水池采用隔墻分為4個(gè)流道，每個(gè)流道放置兩臺(tái)水泵，根據(jù)水泵安裝間距，確定流道的長度和寬度，在出水池兩側(cè)的流道隔墻分別預(yù)留2 400 mm×2 400 mm方形孔洞并設(shè)2套2 400 mm×2 400 mm鑄鐵鑲銅方形閘門，正常情況下閘門是關(guān)閉的，必要時(shí)提起，保證泵站內(nèi)部流道的既獨(dú)立又統(tǒng)一。集水池?cái)U(kuò)散角為8°和13°，此時(shí)，水泵吸水喇叭口前流速經(jīng)過逐步控制已經(jīng)接近0.6 m/s。

水泵采用潛水軸流泵，根據(jù)服務(wù)區(qū)域內(nèi)地塊開發(fā)的時(shí)序性，近期水量約為3.5 m3/s，根據(jù)近遠(yuǎn)期相結(jié)合、大小泵搭配的原則，共采用8臺(tái)潛水軸流泵：6臺(tái)大泵，單機(jī)流量2.4 m3/s；2臺(tái)小泵，單機(jī)流量1.2 m3/s。

集水池最高水位取進(jìn)水管道滿流時(shí)的水位，為-2.200 m；最低水位大于水泵淹沒水深，為-4.800 m（大泵）、-5.600 m（小泵）。

3）出水池。主要起消能穩(wěn)流作用，因此要求池內(nèi)水流順暢、穩(wěn)定且水利損失小，這樣才能消減出水流道或出水管道出流的余能，使水流平順而均勻地流入渠道或承泄區(qū)，以免造成沖刷[2]。

本項(xiàng)目為前置式壓力出水池正向出水，后經(jīng)高位水池泄壓以重力流方式用雙排3 000 mm×3 500 mm方涵排到北運(yùn)河，排出口處流速為0.80 m/s，見圖3。

圖3 泵站出水層剖面

3 三維流場的模擬試驗(yàn)（FLUENT軟件模擬）

GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）：水量＞15 m3/s泵站宜通過水力模型試驗(yàn)確定進(jìn)水布置形式。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，對(duì)雨水泵站進(jìn)水流態(tài)的特點(diǎn)建立三維湍流模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取適當(dāng)湍流模型和數(shù)模收斂方法進(jìn)行數(shù)模計(jì)算，建立相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

根據(jù)流體流動(dòng)的特點(diǎn)，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)泵站進(jìn)出水流道的流場進(jìn)行理論分析，關(guān)鍵是復(fù)雜的邊界條件以及邊界層流動(dòng)作用、流動(dòng)分離等對(duì)流道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)鍵影響的流場結(jié)構(gòu)的建立[3～4]。

3.1 進(jìn)水流道三維流態(tài)計(jì)算

按照高水位-2.200 m進(jìn)行FLUENT軟件計(jì)算，見圖4。模擬的流速分布與設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的流速是基本吻合的，水流從閘門井經(jīng)格柵井至集水池，流速呈逐級(jí)遞減的趨勢，沒有出現(xiàn)流速突變的現(xiàn)象，表明泵站進(jìn)水區(qū)工藝設(shè)計(jì)是合理的。

圖4 泵站進(jìn)水流道流速分布

3.2 泵站出水流道三維流態(tài)計(jì)算

桃花寺雨水泵站出水流到計(jì)算結(jié)果見圖5。FLUENT軟件模擬的流速分布與設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的流速是基本吻合的，雨水經(jīng)水泵提升，水流在水泵出水口拍門處流速最大，隨著水漸向出水池?cái)U(kuò)散，流速逐漸降低，表明泵站的出水池工藝設(shè)計(jì)是合理的。

圖5 泵站出水流道流速分布

4 結(jié)論

矩形雨水泵站從進(jìn)水到提升后出水均在一個(gè)構(gòu)筑物內(nèi)完成且壓力出水池位于集水池上方，充分利用了泵站內(nèi)的空間，使泵站內(nèi)部布局更加緊湊，水頭損失小；利用FLUENT軟件模擬泵站運(yùn)行時(shí)流態(tài)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行流速是符合設(shè)計(jì)流速的，證明了設(shè)計(jì)中工藝尺寸是合理的。

5 建議

泵站運(yùn)行的工況是復(fù)雜多變、不能預(yù)料的，而且隨著泵站使用年限的增長，會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)行使用中帶來新問題：泵站內(nèi)部會(huì)有一定沉砂的積累，水泵的效率下降等。這些都會(huì)影響到流道的水流條件；因此，雨水泵站設(shè)計(jì)的流態(tài)模擬還可以繼續(xù)延伸至桃花寺雨水泵站運(yùn)行。