望江县合成圩幸福河南站水泵进水流道的优化设计

方 兴

（安徽省安庆市望江县水利局，安徽 安庆 246200）

0 引言

随着计算机硬件发展和计算方法的改进，CFD（计算流体动力学）技术正逐步成为泵站水力设计的重要手段。泵站进出水流道型式需要结合泵型、泵房布置、泵站扬程及进出水池水位变化幅度等因素进行确定。泵站进出水流道CFD优化计算研究，是在满足规范要求的基础上，在给定的水位资料和土建控制尺寸范围内，根据原型泵主要设计参数，开展进出水流道优化设计，实现进出水流道CFD优化设计[1-3]。

1 工程概况

望江县合成圩位于望江县城东南部，华阳河出口上游处，东南侧临长江，西南隔华阳河与本县的四合圩相望，西北为宝塔河，东北隔老东隔堤与武昌湖流域六零圩相邻，总面积92.18 km2。

新建幸福河南站位于同马大堤90+060处，为大（2）型泵站，设计流量96.9 m3/s，共选用6台2200HLB立式（导叶式）混流泵，配套TL2200-30型同步电动机，单机功率2 200 kW，总装机功率13 200 kW。

泵房内布置6台全调节立式混流泵。电动机与水泵同轴，采用法兰直连。泵组进口配置肘形进水流道与进水池相连，出口弯管式出水流道接出水圆变方渐变钢管、钢筋混凝土渐变方管、事故快速闸门、侧翻式拍门、压力汇水箱、出水箱涵、防洪闸后与外江相连。

2 计算参数及边界条件

图1为幸福河南站进出水流道的计算实体造型图，包括进水延伸段、肘形进水流道、叶轮、导叶、出水流道、出水箱涵和出水延伸段。本次计算采用的叶轮型号为TJ11-HL-04，叶轮直径为2 200 mm，叶片数为3片，导叶数为7片。

图1 幸福河南站计算实体造型

图2 幸福河南站计算域示意图

计算采用分块网格计算，对复杂的计算模型进行分块并采用不同的网格部分方法[4，5]。叶轮和导叶结构复杂，其中流场变化急剧，特别是叶轮，因而对叶轮和导叶采用自动网格剖分。最终，叶轮网格数为498万，导叶为401万，整体网格数量为3 186万。

计算格式为一阶迎风，收敛精度为10-4。本次计算流量0.6Q设、0.8Q设、Q设、1.2Q设、1.4Q设，范围为9.7~22.6 m3/s。

3 流道优化结果分析

3.1 进水流道水力优化

对不同方案进水流道进行0.6Q设、0.8Q设、Q设、1.2Q设、1.4Q设共5个流量工况下进行数值模拟计算，并对肘形进水流道内部流态、水力损失以及进水流道出口断面流速均匀度及加权平均角进行分析[6]。

表1 进出水流道设计方案

3.1.1 进水流道流态分析

（1）方案1流态

方案1在不同流量工况下进水流道内的三维流线结果表明，在各流量工况下，肘形进水流道内流线均较为平顺，流道弯曲渐缩段上边线附近速度明显大于下边线，未发现不良流态。

方案1在22.6 m3/s流量工况下进水流道中心剖面流速分布计算表明，在各流量工况下，进水流道内压力均沿着剖面中心线方向递减，随着进水流道断面面积减小，流速逐渐增大，进水流道出口断面流速分布较均匀。

（2）方案2流态

方案2在22.6 m3/s工况下进水流道内的三维流线计算结果表明，在各流量工况下，进水流道内的流线较为平顺，未发现明显不良流态，流线较为均匀。

方案2在22.6 m3/s流量工况下进水流道断面流速分布计算表明，在各流量工况下，优化流道13~20断面尺寸后，随着进水流道断面面积减小，流速逐渐增大。

（3）方案3流态

方案3在22.6 m3/s流量工况下进水流道内的三维流线结果表明，在各流量工况下，优化流道13~20断面尺寸后，肘形进水流道内流线平顺，流道内未发现不良流态。

方案3在22.6 m3/s流量工况下进水流道断面流速分布计算表明，在各流量工况下，优化流道13~20断面尺寸后，随着进水流道断面面积减小，流速逐渐增大，进水流道出口断面流速分布均匀。同时，进水流道出流均匀，可给水泵提供较好的入流条件。

（4）方案4流态

方案4在22.6 m3/s流量工况下进水流道内的三维流线结果表明，由于在方案3的基础上，肘形进水流道内部新增设了长为6 m的中隔墩，流道内部流线更为平顺，流道内流体运动十分规律，流道弯曲渐缩段上边线附近速度明显大于下边线，至流道出口。此时，流速分布已调整得非常均匀。

方案4在22.6 m3/s流量工况下进水流道断面流速分布计算表明，各流量工况下，进水流道流速分布更为均匀，可给水泵提供较好的入流条件。

3.1.2 进水流道水力性能分析

采用水力损失∆h、出口轴向速度分布均匀度Vu以及入泵水流加权平均角θ对进水流道水力性能进行评价。

（1）水力损失

将不同进水流道方案在9.7 m3/s、12.9 m3/s、16.15 m3/s、19.4 m3/s、22.6 m3/s流量工况下进水流道水力损失对比。结果表明，随着流量增加，进水流道水力损失增加。但总体上各方案间水力损失差别较小，方案4进水流道内加设中间隔墩对水力损失变化几乎无影响，可以忽略。

（2）轴向速度分布均匀度

将不同进水流道方案在设计流量（Q=16.15 m3/s）工况下出口轴向速度分布均匀度对比。对比4个不同方案下进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度可以发现，4个方案的进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度相差不大。在设计流量工况下，方案4（含隔墩）的轴向速度分布均匀度最好，为91.26%；方案1的轴向速度分布均匀度相对较差，为90.27%。

（3）速度加权平均角

将不同进水流道方案在设计流量（Q=16.15 m3/s）工况下入泵水流加权平均角对比。对比4个不同方案下进水流道入泵水流加权平均角可以发现，4个方案的进水流道入泵水流加权平均角相差不大。在设计流量工况下，方案4（含隔墩）的速度加权平均角最好，为84.38°；方案1的速度加权平均角相对较差，为84.09°。主要由于方案4中进水流道的中间隔墩起到一定整流作用，水流角度调整最好，所以方案4的速度加权平均角θ最优。

综上所述，对比4个不同的进水流道方案水力特性可以发现，4个方案的进水流道内部水流流态都较均匀。对比4个方案的水力损失可以看出，各方案间水力损失相差较小。主要是为了能够较好调整水流流态，方案4增设了6 m的中间隔墩。总体来说，加设中间隔墩对水力损失变化几乎无影响，可以忽略。

对比4个方案的流道出口轴向速度分布均匀度可以看出，方案4最优，方案1相对较差；对比4个方案的流道入泵水流加权平均角可以看出，方案4最优，方案1相对较差。综合考虑，设计流量工况下，方案4中进水流道水力性能最优。

3.2 进出水流道推荐方案

综上，进水流道推荐采用方案4（含隔墩）作为最终方案，幸福河南站进水流道单线图如图3所示。

图3 幸福河南站进水流道单线图（最终方案）

为分析进水流道断面面积和流速过渡情况，对进水流道平均流速及断面面积进行计算。图4为幸福河南站进水流道最终方案中流道断面面积及平均断面流速随流道长度的变化曲线。由图可知，变化曲线较为光滑，所以断面变化较为均匀，流速未见明显突变。

图4 幸福河南站进水流道平均流速及断面面积尺寸变化曲线

表2为最终方案（方案4）进水流道在设计流量工况（Q=16.15 m3/s）下性能参数表。由表可知，进水流道总体水力性能较好，来流均匀，水力损失较小，流道出口断面轴向速度分布均匀度达91.26%，出口断面速度加权平均角达84.38°，满足规范设计要求。

表2 幸福河南站进水流道性能参数

4 结论

（1）通过对比方案1、方案2、方案3及方案4肘形进水流道平均流速及断面面积变化曲线图，方案3、方案4曲线变化均匀。同时，通过5个流量工况下，泵装置内外特性对比，方案4进水流道流速分布较方案3更均匀，且方案4最高效率点效率较方案3高，故推荐方案4（有隔墩）。

（2）方案4（有隔墩）肘形进水流道总体水力性能较好，来流均匀，水力损失较小，流道出口断面轴向速度分布均匀度达91.26%，出口断面速度加权平均角达84.38°。

（3）采用CFD方法对幸福河南站工程进水流道进行了优化分析，计算成果可能与实际情况存在一定的偏差，该泵站叶轮直径达2 200 mm，为大型泵，建议用物理模型进一步验证进口流道采用的线型。