江门市横江泵站进水流道优化设计分析

江门市横江泵站进水流道优化设计分析

摘要：横江泵站为一双向引排水功能的泵站，流道内水力特性复杂，为避免流道内产生漩涡，提出几种优化设计方案（设置垂直整流隔板或设置导流锥）。通过对几种优化方案进行数值模拟，从数值模拟结果中找出最优方案，从而改善进水流道内的流态。

关键词：泵站双向流道流态垂直隔板导流锥数值模拟分析

一、横江泵站设计要点

横江泵站工程位于江门市蓬江区境内，是一座通过双向流道中上、下、左、右闸门的启闭组合控制实现双向引排水功能的泵站。泵站布置6孔，中间4孔为泵室流道，2个边孔为自引水闸。泵室内安装4台型号为1200ZDB－160（φ＝+2o）的潜水泵，单机容量为250KW，总装机容量为1000KW，单机引水流量为5.1m3/s，总引水流量为20.4m3/s，单机排水流量为 5.2m3/s，总排水流量为20.8m3/s。

横江泵站原设计方案在各种运行工况下，装置整体水流可以较好的从进水闸正向进入进水池，水流流态平稳，速度梯度变化均匀，且流速呈对称分布，只在局部有小范围的漩涡和回流产生。现对进水流道作进一步的优化设计，并对设计方案进行数模计算分析，进一步论证设计方案对横江泵站进水流道流态的影响，为工程设计及运行管理提供技术参考依据。

二、优化方案的提出

横江泵站为一双向引排水功能的泵站，由于泵站本身的特点，双向进水流道中两侧水流流速不完全相同、水流转弯处过水断面的突变等因素，以及非进水流道一端有足够的空间供带有环量的水流发展成漩涡。改善流态的基本途径是设法切断漩流或将流道分割成若干小的空间,抑制漩涡的进一步发展,从而达到消涡的目的。根据设计经验，一般有两种有效的消涡设施方案，第一种是在流道内放置一块贯穿整个流道的垂直整流隔板，第二种是在水泵喇叭口下设置导流锥。

为此，对泵站进水流道提出四个优化设计方案，分别是：1.单排隔板优化方案，即在流道内设置贯穿整个流道的垂直整流隔板；2.单排隔板加导流锥优化方案，即在方案1的基础上在喇叭口下方设置一个坡面为椭圆锥形的导流锥；3.双排隔板优化方案，即在流道内设置两排等间距的贯穿整个流道的垂直整流隔板，隔板尺寸与方案1相同； 4.双排隔板加导流锥优化方案，即在优化方案3的基础上加装优化方案二的导流锥。各方案在流道内的布置见图1。

三、进水流道内消涡效果（数值模拟结果）对比

现对上述4个方案分别进行三维流场数值模拟，通过截取泵站进水流道1/2高程处横截面，其数值模拟成果（速度矢量及流线图）见图2。

分析数值模拟成果速度矢量及流线图可知，单排隔板的优化方案流道内流态顺畅，漩涡及回流范围小。双排隔板的优化方案通过在进水流道内多加设了一道垂直隔板，将流道分割成小空间，进一步有效地抑制了漩涡的发展，流态顺畅，流道内的漩涡和回流范围减小，消涡效果明显；但是，加导流锥的消涡效果一般，流道内依然有大量的旋涡和回流存在。

(a)方案1进水流道横截面流线图(b)方案2进水流道横截面流线图

(c)方案3进水流道横截面流线图(d)方案4进水流道横截面流线图

图2 各方案喇叭口水平截面流线图

四、喇叭口的偏流问题对比

（a）单排隔板优化方案（b）双隔板优化方案

（c）单隔板加导流锥优化方案（d）双隔板加导流锥优化方案

图3 各方案喇叭口水平截面流线图

由于双向流道总是一端进水，所以喇叭口处的进水多有偏流现象，从上面四个方案的喇叭口水平截面流线图，观察汇流点的偏移状况可以看出，各个优化方案对吸水管喇叭口下方流态都有较好的矫正作用，交汇点在容许偏移区域内，其中，尤以双隔板加导流锥的优化方案四效果最明显。但是综合考虑图2和图3的对比效果，而且考虑施工及经济因素，单排垂直隔板方案可行性最高，因此排除在流道内加设导流锥的优化方案。

下面着重对单排垂直隔板优化方案和双排垂直隔板优化方案进行对比分析。

五、机组整体流态对比

通过截取单排隔板优化方案以及双排隔板优化方案一号泵中部截面，通过三维数值模拟作出截面速度矢量及流线图（见图4），从流线图分析可知，单排隔板优化方案的出水流道流态顺畅，天沙河侧基本无回流和漩涡现象出现，但若在进水流道内再加设一道垂直隔板，恶化了出水流道的流态，在天沙河侧管道垂直交叉处有较大的旋涡出现，且整体流速降低。出水流道流态是机组段流态的间接反映，在一定意义上将会增加泵站的扬程。

（a）单隔板泵中部截面流线图（b）双隔板泵中部截面流线图

六、总结

横江泵站为一双向引排水功能的泵站，由于泵站本身的特点，双向进水流道中两侧水流流速不完全相同、水流转弯处过水断面的突变等因素，以及非进水流道一端有足够的空间供带有环量的水流发展成漩涡，因此，在非进水流道一侧内存在漩涡和回流的现象避免不了。

目前，改善流态的基本途径是设法切断漩流或将流道分割成若干小的空间,抑制漩涡的进一步发展,从而达到消涡的目的。基于以上消涡基本方法，本设计拟定了四种优方案，数值模拟计算结论如下：

（1）在流道内设置贯穿整个流道的垂直整流隔板情况下，再设置导流锥，消涡效果不明显，考虑施工及经济因素，因此在流道内不宜加设导流锥。

（2）通过对各优化方案流场的分析比对发现，各优化方案对非进水侧流道内的消涡，以及喇叭口偏流调整效果明显，双排隔板优化方案在流道内的消涡效果比单排隔板优化方案在流道内的消涡效明显，但却严化了出水流道的流态，在出水管道垂直交叉处有较大的旋涡出现，且整体流速降低，在一定意义上将会增加泵站的扬程。介于施工及经济等多方面因素的考虑，单排隔板优化方案为最优方案。

（3）虽然各优化方案对于进水流道的整流效果良好，但都恶化了出水流道内流态。对于单排隔板优化方案，其实非进水那一侧流道内流速极小，通过漩涡间能量的自我调整一般对机组运行的影响不大。