泵站数值模拟优化技巧探析

近年来，随着我国经济生活水平的提高，国家大型水源供水项目逐渐增多，作为市政配套工程的水源输水泵站规模也相应加大。而我国已建的城市泵站普遍存在水泵效率偏低、泥沙淤积严重、能量消耗巨大等问题。泵站受城市规划、地形、规模等条件的限制，进出水系统往往难以按水力条件良好的要求布置，当机组运行时，进、出水建筑物中易产生不良流态，造成机组运行效率偏低、能耗加大，甚至造成水泵的气蚀、机组的振动，直接影响到泵站安全、高效地运行。同时，由于输水泵站所抽送的通常是大流量江河水体，水流含泥沙量较大，易在泵站建筑物中产生淤积。另外，在水泵输水系统中，由于闸阀的启闭或水泵的启动与停机，造成管道中水流速度的突然变化，继而引起压力的急剧变化。在管道内流速和压力的变化过程中，水泵的流量、扬程、转速和转矩等参数亦随之发生瞬时的变化，从而产生水锤。因此，如何采取合理的工程技术措施，改善泵站的进、出水流态，提高机组的运行效率，防止泥沙在泵站建筑物中淤积，减弱水力条件突变时的冲击影响，节约建设成本和运行成本，一直是建设部门和相关设计、科研单位关注和研究的重要课题。

根据大量的文献资料，解决泵站水力学问题主要有物模试验和数值模拟两种方法。数模计算可根据工程要求模拟多种方案，可任意修改模型的尺寸特征，并对整体水工建筑物及各个组成部分的流态单独分析。水力学的数值模拟从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资较大的流体动力学实验设备，对科学研究和工程技术产生了深远的影响。目前应用较为广泛的计算流体力学软件有：Fluent、CFX、Phoenics、STAR-CD等。随着软件开发和计算边界条件的深入研究，计算成果的精度越来越高。

通过模型试验发现，泵站前池不良流态会直接导致水泵效率大幅度下降。前池不良进水流态不仅影响水泵效率及多机组泵站各机组的流量分配，还可能引起机组振动、加剧气蚀，甚至使水泵无法运行。研究成果表明，采取合理的工程技术措施，可以有效地改善泵站的进出水流态、提高泵站效率，有效地防止泥沙的淤积，从而保证了泵站安全高效地运行。

前池的水力特性主要包括水流的流速分布、回流区及漩涡特征、流量分配、泥沙淤积和水力损失等方面。多年来，国内外许多专家、学者和工程技术人员，如美国的Chanleo、ESwecenney、C.E.斯维德，英国的L.S.Paterson，澳大利亚的Ralph T.Hottecley，日本的近藤正道、松村益至、本田和夫，我国的皮积瑞、夏毓常、丘传忻等都对前池的水力特性进行了深入的研究。他们从大量的模型试验和原型观测中，积累了有关前池水力特性的丰富资料，打下了较好的研究基础，提出了改善前池水流流态的措施。为了改善前池的水力特性，工程人员在实践中提出了多种有效的工程措施，如在前池中加导流墩（龙华港闸泵站的前池改造工程）、加底坎（上海市合流污水治理一期工程出口泵站）、加立柱（黄浦江上游引水工程大桥抽水站）、加压水板（上海市合流污水治理二期工程SA泵站）等。采取这些工程措施的目的是通过改变水流的边界条件或增加水流局部阻力，以达到调整前池水流的整体水力特性。(www.xing528.com)

工程应用不仅要求水泵处于高效率区安全可靠运行，而且要求包括水泵在内的泵站（装置）整体性能较好。进行泵站设计时，传统上通常根据历史资料和经验公式，对泵站预期使用期的运行情况做出预测，选择泵站的各项设备，保证泵站建成以后在高效益的情况下工作。但是，单纯的设计往往并不能实现运行期间工作条件的实际稳定状态，难以适应通水运行时多种复杂工况的变化，运行管理的风险较大，同时由于缺乏可预见工况的全方位计算比较，工程建设往往造成能源、材料及用地的浪费。

随着计算机硬件发展和计算方法的改进，基于泵站内部流动数值模拟的计算流体动力学技术正逐步成为泵站水力设计研究的重要工具。采用数值模拟技术设计开发水力性能优良的泵站结构及水泵装置正在成为主流。数值模拟方法可获得泵站内部详细信息、预测性能，其形象直观，能进一步深入研究其流动机理。当然，数值方法的可信性和数值模拟结果的准确与否必须得到内流场和外特性实验的验证。目前，国内输配水泵站设计建设时，借助数值模拟指导设计的实例较少，国内泵装置行业领域的研究手段还大多局限在模型试验。以上海彭越浦泵站为例，在形成初步设计方案后，只是利用水力模型对设计参数进行了验证和局部修正。国外大型水电项目已将模型试验和仿真试验有机地结合在一起，获得了可靠的设计数据，实现了装置性能的改善。因此，针对五号沟泵站开展数值模拟与水力模型实验研究，优化泵站内部流动和水力性能，指导多重限制条件下的多系统大型泵站设计，具有十分重要的应用价值。