井头泵站出水流道优化设计及影响分析

郭 瑞 吴 昊 王 丽

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223005）

井头泵站位于宿迁市城区北郊、宿迁闸下中运河左堤。其功能主要是为来龙灌区提供灌溉水源，其次是在特殊干旱年份向皂河灌区、黄墩湖、黄运夹滩灌区和宿迁闸上中运河通航补水以及特殊年份向骆马湖补水。本站设计流量为80 m3/s，设计扬程和平均扬程均为1.7 m，最大扬程2.7 m。泵站采用竖井式贯流泵装置5 台套，单机设计流量为16 m3/s，水泵叶轮轴线高程14.35 m；采用平直管进出水流道，竖井位于进水流道侧。笔者结合井头泵站工程建设的需要，本着提高泵装置性能及节省投资的目的，采用Fluent 商用CFD 软件对优化前后的出水流道在设计工况下水力特性进行计算分析，得出优化后出水流道水力性能，并对土建方面可能节省的投资进行了估算。

图1 原出水流道示意图

1 原出水流道主要设计参数

原出水流道设计为平直管型，底板水平面高程为▽13.0 m。进口断面为圆形，半径为1.35 m；出口断面为矩形，宽度为6.3 m，高度为3.2 m，出口上缘半径为0.5 m。流道总长为14.5 m，其中，由圆变方段长度为8.394 m，矩形渐变段长4.606 m，矩形段长1.5 m（如图1）。

2 出水流道优化目标

出水流道是水泵导叶出口与出水池之间的过渡段，其作用是为了使水流在流向出水池的过程中有序平缓扩散，尽可能多地回收水流动能。出水流道水头损失的大小是衡量其水力性能优劣的主要指标［1］。

对出水流道优化水力设计的要求可概括为以下几点：

（1）适当加大出水流道出口断面的面积，尽量降低流道出口断面的流速，尽可能多地回收水流的动能；

（2）流道线型变化平缓，尽可能避免水流在扩散的过程中产生脱流或涡流，最大限度地减少流道水头损失；

（3）在满足出水流道出口上缘淹没深度要求及减少水力损失的前提下，出水流道底板尽量逐渐抬高，减少基坑深度及泵站出水段翼墙高度。

3 出水流道优化计算方法

采用GAMBIT 软件对出水流道三维湍流流动数值计算区域进行建模和网格剖分，选用非稳态的连续方程、Navier-Stokes 方程、反映湍动能的方程和反映湍动能耗散率的方程对出水流道内水流的流动进行计算分析［2-4］。

边界条件设定：为了准确应用进口的边界条件，将出水流道计算流场从出水流道进口断面逆水流方向等直径延伸，使计算流场的进口断面设置在距出水流道进口2 倍圆管直径处，并在出水流场的进口预置一定环量。出口边界设置在出水池中距出水流道出口足够远处［1］。在固体边壁处规定无滑移条件（即u=v=w=0），在近壁区采用上述的壁面函数法［5］。水面设置为对称边界条件［5］。

4 优化后出水流道主要设计参数

优化后出水流道仍设计为平直管型，底板逐渐抬高，底板最低处高程为▽12.87 m，出口处高程为▽13.9 m。进口断面为圆形，半径为1.315 m；出口断面为矩形，宽度为6.3 m，高度为3.2 m，根据泵站总体布置取消出口上缘圆弧段。流道总长为14.393 m，其中，圆形渐扩段长1.76 m，由圆变方段长度为7.8 m，矩形渐变段长3.333 m，矩形段长1.5 m（如图2）。

5 出水流道优化水力性能及投资影响分析

通过对比，发现优化前后水流在整个出水流道内的扩散均匀平缓，在旋转水流所具有的离心力作用下，流道内未出现水流脱壁或漩涡等不良流态。但是优化后出水流道水利损失由原来的0.177 m 降低至0.086 m，流道损失值降低51%。优化前，泵装置在设计扬程和平均扬程1.70 m 工况下效率为74.8%；优化后，效率提高至80.3%。

经过优化，出水流道出口处底板抬高0.9 m，泵站出水侧翼墙高度降低0.9 m，出水流道连接处钢筋混凝土护坦基坑深度减少0.9 m。根据井头泵站总体布置需要，初步估算因出水流道优化底板抬高，减少土方开挖约750 m3，减少圆弧翼墙混凝土约60 m3，减少工程直接投资约5万元。

6 结论

（1）优化后出水流道内的水头损失减小，泵装置效率提高明显；

（2）通过优化抬高出水流道出口底板高程，可以减少土方量、混凝土量，从而减少工程投资。

图2 优化后出水流道示意图

综上所述，经过优化的出水流道不仅能够满足泵站安全、稳定和高效运行的要求，还能有效减少工程投资。

［1］王丽，邹新胜，徐磊，王海，李亚楠.井头泵站竖井式贯流泵装置流态及性能分析［J］.南水北调与水利科技，2014（04）：123-127.

［2］Li Yaojun，Wang Fujun.Numerical Investigation of Performance of an Axial -flow Pump with Inducer［J］.Journal of Hydrodynamics，2007，19（6）：705-711.

［3］B.Jafarzadeh，A.Hajari，M.M.Alishahi，etal.The flow simulation of a lowspecific-speed high-speed centrifugal pump［J］.Applied Mathematical Modelling，May 2010：242-249.

［4］G.S.Constantinescu and V.C.Patel.Zhaogao Luan，M.M.Khonsari.Numerical model for simulation of pump -intake flow and vortices［J］.Journal of Hydraulic Engineering，February 2007：123-134.

［5］Rodi W.Turbulence models and their application in hydraulics experimental and mathematical fluid dynamics［M］.Delft：IAHR Section on Fundamentals of Division Ⅱ，1980：44-46.