一體化泵站自清潔流動特性研究及優(yōu)化

王 盼，施建業(yè)，張 聞，唐斌斌

(揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州225009)

0 引言

【研究意義】隨著我國城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴大，越來越多的城市污水需要提升和輸送，一體化泵站在城市的市政工程中得到不斷的發(fā)展和應用[1]。一體化泵站采用的進水形式是井筒式的進水形式，水流從進水管進入井內的過程中，往往比較紊亂[2]。由于一體化泵站屬于小型泵站，并且污水中含有各種泥沙、雜草以及生活垃圾，泵站長時間運行后在井筒底部會出現泥沙沉積的問題，既影響泵站的安全運行，又會因泵站內的垃圾產生的腐臭味影響檢修，一體化泵站的自清潔一直是一體化泵站亟須解決的問題[3]?！狙芯窟M展】查智力等[4]通過CFD 數值模擬計算，得到一體化泵站內水泵數量以及吸水管直徑對泵裝置性能有很大影響，水泵數量和吸水管直徑的不合理匹配會造成泵站內流態(tài)紊亂，出現旋渦和流速不均等不良流態(tài)，影響泵站穩(wěn)定運行。相較于傳統混凝土泵站一體化泵站具有結構簡單、易安裝和成本低的優(yōu)點[5]。李文全等[6]針對預制式軸流泵站出水彎管流動結構進行了數值研究，探究了泵站進水口流量對一體化泵站出水管道水力特性的影響規(guī)律，大流量工況下泵站出水管道水流流態(tài)優(yōu)于小流量工況。王默[7]針對一體化泵站內的復雜流動結構，采用CFD 數值模擬研究了水泵安裝位置對一體化泵站水力性能的影響，水泵懸空高度過小會導致吸水口附近產生漩渦。【切入點】目前針對一體化泵站的研究更多的是集中在結構改進和推廣應用方面，在一體化泵站性能優(yōu)化方面的研究很少，尤其是在研究一體化泵站底部結構形式對一體化泵站內泥沙淤積和自清潔的影響的研究鮮有見到?！緮M解決的關鍵問題】因此，本研究采用CFD 數值模擬研究一體化泵站底部結構形式對一體化泵站泥沙淤積和自清潔的影響，為解決一體化泵站內自清潔問題和安裝設計提供幫助。

1 材料與方法

1.1 數學模型

1.1.1 控制方程

流體力學的三大基本定律是質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律[8]。通常情況下，泵裝置內的流體可以看作不可壓縮流體，在整體流動的過程中未考慮熱量傳遞，故忽略能量守恒定律。流體流動的控制方程組精確地描述流體的各物理量對空間的分布和隨時間的演化，對不可壓縮流體，主要是滿足質量守恒和動量守恒。

1.1.2 紊流模型

在CFD 數值模擬研究中，紊流模型的選取至關重要，周曼[9]針對一體化預制泵站中泥沙沉積懸浮研究中對比了標準k-?模型、RNGk-?模型和k-ω模型，分析表明只有RNGk-?模型的計算結果精度達到10-4，與相關進水池內泥沙淤積流動特性符合。因此，本文選擇RNGk-?模型進行數值模擬計算。

1.2 研究方案

本研究水泵為小型立式軸流泵，葉輪直徑D為120 mm，葉片數為4，導葉數為7，葉輪轉速n為1 800 r/min。在前期規(guī)劃設計中根據一體化泵站底部流場流動結構特點，設計了平底底部、錐形底部、臺形底部和橢圓形底部等4 種底部結構形式，如圖1 所示，D為水泵葉輪直徑。

圖1 不同方案結構及尺寸Fig.1 Schematic diagram of the structure and size of different schemes

1.3 計算模型建立

1.3.1 幾何模型建立

采用UG9.0 對計算模型進行三維幾何建模，幾何模型部件包括一體化泵站筒體、喇叭管、葉輪、導葉和出水管，如圖2 所示。

圖2 泵裝置模型示意Fig.2 Schematic diagram of pump device model

1.3.2 網格劃分及無關性驗證

采用軟件Workbench 中Mesh 功能對一體化泵站筒體、喇叭管和出水管進行幾何模型網格剖分，采用Turbogrid 對葉輪和導葉進行網格剖分。如圖3 所示。由于黏性的存在，流體邊界層分為黏性底層、過渡層，湍流層，對于高雷諾數的湍流層y+值取值在30～300[12]，y+值為邊界層第1 層的無量綱化的壁面距離。本文計算模型的邊界層網格y+值整體控制在100左右。

圖3 計算模型網格Fig.3 Grid diagram of calculation model

在數值模擬中，網格數量和網格質量決定了計算精度。理論上，隨著網格密度增大，計算結果的離散誤差減小，計算結果越準確[13]。但是網格密度的增加會增加計算工作量，造成網格資源的浪費，另外，計算機浮點運算造成的舍入誤差也隨之增大。對計算模型進行網格無關性分析，選取合適的網格數量。采用設計工況效率評判網格無關性，如圖4 所示。當網格數量超過480 萬時，設計工況下一體化泵站效率無明顯變化，相對誤差控制在±1%以內，此時網格數量可滿足計算要求，因此本文總網格數量采用480 萬進行計算。

圖4 網格無關性驗證Fig.4 Grid independence verification

1.3.3 參數及邊界條件設置

本研究目的是探究一體化泵站底部結構形式對內部自清潔功能的影響。通常一體化泵站輸送介質中泥沙雜質多，因此，采用自定義的泥沙和水體混合流體，泥沙采用粗砂，密度ρs為1 750 kg/m3, 液相為常溫下的清水，密度ρw為997 kg/m3。

將一體化泵站進水管進口設為計算模型液相進口，進口條件采用總壓進口條件，壓力為1 個大氣壓。將一體化泵站出水管出口設置為計算模型出口，出口采用質量流量（Mass flow rate）。計算模型分為多個部分，不同部件之間需要設置交界面。除喇叭管出口和葉輪進口、葉輪出口和導葉進口之間的動靜交界面設置為Stage，其余靜止部件之間交界面連接類型設置為None，計算模型壁面條件采用光滑無滑移壁面條件。對計算模型進行初始化設置，根據鹽城汛期降水泥沙調查結果，液相初始體積分數設置為0.82，固相初始體積分數設置為0.18。在本文中水泵設計工況Qd為31.2 L/s。

1.3.4 計算模型可靠性驗證

泥沙淤積屬于復雜的多相流流動，計算的準確性影響結果的可靠性。Li 等[13]采用模型試驗研究了一體化泵站的反淤積特性，試驗中采用含沙水流，測量了不同D0/L(D0為筒體直徑，L為下方距喇叭管口的距離)下水泵進口徑向泥沙體積分數變化規(guī)律，本文中的水泵與文獻中結構形式相似，因此采用文獻中的結果進行驗證計算的準確性。在本文中D0/L=3.2，與文獻中[13]D0/L=3 接近，計算對比結果如表1 所示。由于本文中分析斷面位置靠近筒體底部淤積區(qū)且泥沙質量濃度高于文獻中，導致分析位置處泥沙體積分數高于文獻[13]中的結果，但是2 種方法獲得泵進口泥沙體積分數沿徑向方向的變化趨勢一致，綜合誤差為1.86%，說明計算結果可靠。

表1 計算結果與試驗結果對比Table 1 Comparison between calculated results and experimental results

2 結果與分析

2.1 不同方案流態(tài)分布

圖5 和圖6 分別為不同方案內三維空間流態(tài)分布和中心縱斷面流態(tài)分布。方案一中泵站內三維空間流態(tài)紊亂度高，喇叭管下方水流流態(tài)很差，存在很多漩渦，導致喇叭管口入流條件差，影響水泵葉輪進口入流穩(wěn)定性。方案二和方案三中泵站內三維空間流態(tài)呈現有規(guī)律的旋轉流動，喇叭管下方水流流態(tài)較優(yōu)，水流可以平順的進入到水泵內，這說明采用臺形底部和錐形底部可以很好地將復雜水流進行匯集整流，使得喇叭管下方水流可以平順的進入喇叭管內。方案三中流態(tài)結構相對于方案二更平順，故方案三的泵裝置運行效率最高。

圖5 不同方案一體化泵站內三維空間流態(tài)Fig.5 Three dimensional flow pattern in integrated pumping stations with different schemes

圖6 不同方案一體化泵站中心縱斷面流態(tài)Fig.6 Flow pattern of vertical section of integrated pumping station with different schemes

為進一步探究不同方案下的流動特性，對泵站進水口中心水平斷面上的速度分布和泵站縱向中心斷面上的速度進行分析。圖7 和圖8 分別為泵站進水口水平方向斷面和泵站筒體縱向中心斷面速度分布。在方案一中當一體化泵站采用平底底部結構形式時，泵站進水入流流態(tài)很差，左右兩側出現很多小尺度漩渦回流，殘余能量大。在方案二中當一體化泵站采用錐形底部結構形式時，泵站進水管中心斷面上入流流態(tài)呈現偏流，圍繞泵站中心呈現回轉流動，喇叭管下方水流流速分布較為均勻，流速梯度差異小。在方案三中當一體化泵站采用臺形底部結構形式時，泵站進水管中心斷面上流速分布更加均勻，流態(tài)分布更加穩(wěn)定，水流圍繞泵站中心均勻的回轉流動，并且喇叭管下方水流流速分布非常均勻，流速梯度差異很小。在方案四中當一體化泵站采用橢圓式底部結構形式時，受葉輪旋轉作用，筒體左側的高速流場大于右側流場，使得筒體右側存在很小的小尺度漩渦，泵站進水管中心斷面上流速分布較差，右側出現回流漩渦。

圖7 一體化泵站進水口水平方向中心斷面速度分布Fig.7 Velocity distribution of the horizontal central section of the inlet

圖8 一體化泵站縱向中心斷面速度分布Fig.8 Velocity distribution of longitudinal center section of precast pump station

采用面積加權流速均勻度分析一體化泵站底部結構形式對葉輪進口速度分布均勻性的影響。方案一至方案四中葉輪進口的流速均勻度分別為86.5%、90.7%、94.3%和88.3%?？梢钥吹讲煌撞拷Y構形式下葉輪進口流速均勻度分布差異很大。方案一中為平底底部結構，葉輪進口前水流混摻強烈、紊流強度大且存在漩渦，使得葉輪進口流場分布差，因此葉輪進口流速均勻度最差。方案三采用臺形底部結構，葉輪進口流速均勻度最優(yōu)，水流能夠平順的從喇叭管四周匯入喇叭管內，因此葉輪進口流速均勻度高。方案二中流速均勻度介于方案一和方案三之間。不同方案下葉輪進口流速均勻度差異說明一體化泵站底部結構形式對葉輪進口流速均勻度影響很大。

2.2 不同方案泥沙淤積特性

采用固體體積分數法分析不同方案下泥沙淤積特性，如圖9 所示。在方案一和方案四中泵站底部均存在著非常明顯的泥沙淤積，主要是由于這2 種方案下一體化泵站底部結構過平，使得泥沙流動速度降低到泥沙沉積速度，不利于泥沙被水泵抽吸排除。在方案二和方案三中，泥沙淤積量非常少，采用這2 種方案可以有效解決一體化泵站內泥沙淤積問題，實現一體化泵站自清潔功能，這是由于采用錐形和臺形底部結構后，喇叭管下方水流行進速度增大，有利于泥沙的混摻，泥沙被充分攪動，隨主流被水泵抽吸排除，當采用平底底部結構時，水流行進空間過平，使得水流的行進流速過小，泥沙難以被充分攪動與主流混摻，流速過小時加上水泵的抽吸作用減小使得泥沙產生沉積，同時水中的雜草進入泥沙中，淤積更加嚴重。根據河流動力學理論，泥沙淤積主要是由于泥沙顆粒的懸移質運動和推移質運動造成。淤積區(qū)表現為低速區(qū)，顆粒沉降速度大于顆粒輸移速度，而造成泥沙淤積區(qū)為低速區(qū)的主要有結構尺寸不合理、運行流量工況偏離設計工況、流場內存在的漩渦等因素。通常漩渦中心區(qū)主要為低速區(qū)，漩渦中心區(qū)極易產生泥沙沉降，而圖5 和圖8 中不同方案筒體底部淤積區(qū)表現為漩渦活動區(qū)和低速區(qū)，這些不穩(wěn)定流動是造成泥沙淤積的主要原因。通過對不同方案流場特性及泥沙淤積特性進行分析，最終確定方案三為最優(yōu)方案。

圖9 不同方案一體化泵站內泥沙分布Fig.9 Sediment distribution in prefabricated pumping stations of different schemes

3 討論

傳統混凝土泵站是工程中常見的抽水泵站，在各大水利工程中得到廣泛應用，尤其是在大型跨流域調水工程中最為常見。然而，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，傳統泵站的缺點逐漸顯現，其工程規(guī)模大、建設周期長，難以應用于城鎮(zhèn)小規(guī)模工程中。一體化預制泵站的出現可以有效解決傳統混凝土泵站的一些缺點，其具有機動靈活、建設周期短、安裝簡便等特點，廣泛應用于提升城市污水和雨水等市政工程中。但是由于筒體底部的復雜流動，細小的顆粒容易在泵站底部沉積，造成淤積的問題。因此，自清潔的問題一直是一體化泵站應用中亟待解決的問題。

針對此問題，已有眾多專家開展相關研究。Zhang等[15]提出一種具有自清潔裝置的一體化預制泵站，在筒底安裝清潔設備減少懸浮物淤積，但此方法效率不高。Li 等[13]在一體化泵站出水段設置壓力傳感器，實現多個水泵協同控制。孟令智[16]提出在不同場地安裝一體化預制泵站方式，有利于一體化預制泵站設計的規(guī)范化。Wang 等[17]基于離散相模型（DPM）固液兩相流模型，以集成的一體化預制泵站為研究對象，研究流速、粒徑和和密度對泥沙淤積的影響。馮俊豪[18]針對一體化預制泵站，提出了增加楔形隔墩的泵坑結構，有效改善泵站內部流態(tài)。這些研究對于一體化泵站的研發(fā)改造發(fā)揮了重要的作用，在工程中得到不同程度的應用，同樣對于本文的研究起到很好的參考。然而大量的工程應用表明一體化預制泵站底部的結構形式對于泵站自清潔影響很大，而目前鮮有此方面的研究。本文設計了平底底部、錐形底部、臺形底部和橢圓形底部等4 種底部結構形式。在方案一中泵站內流態(tài)和淤積特性不同于文獻[17]的研究結果，這是因為本研究中泥沙質量濃度和泥沙粒徑與文獻[17]中不同，本文泥沙質量濃度高于文獻[17]中泥沙質量濃度。本文與文獻[4]均對一體化預制泵站筒體進口水平斷面的流速進行分析，本文中泵站進口偏流特性與文獻[4]泵站進口偏流特性不同，這是因為本研究采用的研究介質為含沙水流，文獻[4]采用的是清水介質，這說明水流介質的差異對研究結果存在影響。含沙水流模擬結果更符合實際情況，采用此方法得到平底底部（方案一）和橢圓形底部（方案四）的一體化泵站內存在明顯的泥沙淤積，錐形底部（方案二）和臺形底部（方案三）一體化泵站內未見明顯泥沙淤積。方案三中臺形底部結構一體化泵站泥沙淤積最少，綜合性能最高，因此最終實施方案為方案三。本研究的重點不同于前人的研究，為一體化泵站設計提供了一個新的設計思路。

本文對幾種不同底部形式預制泵站內的泥沙淤積特性進行了研究，計算結果與相關試驗結果做了對比驗證，但是缺少泥沙淤積多相流數值計算的試驗流動驗證，這也是相關研究的共性，在未來將繼續(xù)對該研究進行試驗研究，實現更深的學術價值和工程意義。

4 結論

根據一體化泵站底部流場結構特點，設計了平底底部、橢圓形底部、臺形底部、和錐形底部等4 種底部結構形式。

在方案一和方案四中，一體化泵站底部存在明顯的泥沙淤積，在方案二和方案三中，一體化泵站底部未見明顯泥沙淤積。采用錐形底部和臺形底部結構能夠增加喇叭管下方泥沙流動速度，有利于泥沙被水泵抽吸排除。方案一、方案二、方案三和方案四中葉輪進口流速均度分別為86.5%、90.7%、94.3%和88.3%。

喇叭管底部流場是湍流流動混摻區(qū)，極易產生速度梯度差異，流場速度下降導泥沙沉降臨界速度后，產生泥沙淤積。在喇叭管口下方流場混摻強度越大，有利于泥沙被及時排除。只有合適的進水幾何結構，才能實現一體化泵站的自清潔。方案三中臺形底部結構一體化泵站泥沙淤積最少，綜合性能最高，因此最終實施方案為方案三。