引言

泵站进水前池基本类型为正向进水前池和侧向进水前池 , 正向进水前池与进水方向一致，水流平稳扩散，水流流态良好；侧向进水前池与进水池水流方向正交或斜交，池中易形成较大回流区，流态紊乱。复合进水前池结构上一般存在两座泵房，集中了正向、侧向前池的优缺点，即有正向进水和侧向进水流动方向。复合前池存在水流分流与弯曲流动等流动状况，易形成大尺度回流区，造成复合前池水流流态更加紊乱，水泵工作效率下降，严重时机组振动明显。多机组泵站复合前池在设计时要充分考虑池内水流流态，可通过 CFD 数值模拟进行前瞻性研究，合理优化复合前池结构设计。

1工程案例

某泵站工程，两座泵房，每座泵房10 台机组，共20台机组。水泵型号为 36ZL-125，单机流量 2.0 m3/s，总流量 40 m3/s。由于站址选择及取水要求，进水前池设计成复合前池，泵房 1 正向进水，泵房 2 侧向进水。复合前池底高程为 0.00 m，设计水位4.62 m。复合前池布置图如图 1 所示。

图 1    复合前池布置图 

2数学模型建立及网格划分

2.1三维数学模型在 UG NX 中通过草图按照图

 1 建立多机组泵站复合前池平面图，取设计水位深度拉伸成三维模型，再按照边坡比例修剪建立复合前池三维模型。再通过拉伸、旋转及布尔运算建立进水池，各复制 10 台机组建立泵房 1 与泵房 2。复合前池三维模型如图 2 所示。

图 2    复合前池三维数学模型图

2.2计算网格划分

应用 ICEM CFD 采用块格式结构化网格将多机组泵站复合前池拓补为两部分，块格式一为复合前池，块格式二为进水池。进水池网格完成后可通过网格复制 20 台机组，每台机组间距 0.5 m。通过网格合并功能复合前池与多机组进水池合并，交界面设置 interface 面。复合前池计算网格如图 3、图 4 所示。

图 3    复合前池网格示意图

图 4    进水池网格示意图 

3数值模拟（CFD）

3.1数值模拟（CFD）计算原理

通过流体流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制，把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，求解获得场变量的近似值。得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。

3.2控制方程

控制方程采用三维雷诺时均 N-S 方程来描述该泵站复合前池不可压缩湍流流动，方程式如下 :

连续性方程：

雷诺时均 N-S 方程：

3.3边界条件设置

在 fluent 计算中，采用 Realizable（可实现）k-ε模型，一阶迎风格式；进口设置为速度进口；出口设置为 outflow（自由出流）；水流与空气接触面设置为 symmetry（对称）；河道所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为 5×10-4。

4计算分析 

多机组泵站在实际运行过程中全开启或部分开启水泵机组。因此，计算工况分为 3 种，即全开启运行、泵房 1 开启与泵房 2 开启。

4.1复合前池水流流态

通过计算得知，当机组全开启时，水流流态如图 5（a）所示，一部分水流分流至泵房 1 机组，沿涵洞圆弧段大曲率弯曲流动，在泵房 1 机组左侧区域形成大尺度回流区；另一部分水流未表现出正向流动特点，在泵房 2 机组前方中间侧形成大尺度回流区；机组全开启复合前池的水流流态紊乱，大尺度回流区易泥沙沉淀淤积，更不利于水泵机组运行。当机组半开启时，水流流态如图 5（b）、（c）所示，泵房 1 机组水流流动仍大曲率弯曲流动，左侧区域回流区范围略有减小，说明了复合前池平面布置图中有关泵房1机组左侧区域布置不够合理，须通过水力优化设计。泵房 2 机组水流流动较接近正向前池水流流动特点，中间侧水流回流区范围大幅度减小，且远离泵房 1 机组，对泵房 1 机组运行影响有限。

4.2复合前池水流速度分布

水流流速分布能在一定程度上反映水流流动均匀性等特性。复合前池水流流速分布如图 6 所 

图 5    多机组泵站复合前池水流流态云图

图 6    多机组泵站复合前池水流流速分布云图

示，当机组全开启时，流向泵房 1 机组水流主流弯曲流动，两侧区域为低速区，其中左侧区域回流速度超过 0.3 m/s；流向泵房1机组水流偏向岸墙侧，中间区域大范围低速区，这严重影响机组运行。当机组半开启时，水流流动特性显示了正向、侧向水流流动特点，水流流向机组方向所在的区域低速区范围明显减小，但受到各自不运行机组前方区域死水区的影响，使得工作区域水流流速分布不均匀。

4.3进水池水流特性

当机组全运行时，泵房 1 机组由于水流斜向大曲率弯曲流动的影响，有 7 台机组进水池处于低速区，速度范围在 0 ～ 0.2m/s 之间，其中靠近左侧 3 台机组进水池出水管前方出现回旋区；泵房 2 机组由于中间区域大尺度回流的影响，水流主流偏向岸墙侧，导致左右两侧机组进水池流速分布处于低速区，中间机组进水池出现大尺度回旋。见图 7。

5结论

（1）多机组泵站复合前池各自泵房机组水流流动区域都出现了大范围回流区和低速区，水流流态紊乱，严重影响进水池进水均匀性。

（2）各泵房进水池有多台机组处于流速分布低速区和前方进水回旋等不良进水条件，甚至出现大尺度回旋。

（3）该多机组泵站复合前池平面布置不合理，须进行 CFD 数值模拟或水工模型试验水力优化，获得最优水力性能