简介

和其他水力构筑物一样，泵站的设计必须非常严谨，以确保在各种工况下都能满足预期的运行效果。泵站进水构筑物的主要作用就是为水泵提供良好的入流条件。同时，进水构筑物也包含其他功能，比如拦截流体中携带的杂质，或者保证有效的停留容积。

通常泵站位于在水源和用户之间，它的作用就是进行流体的输送。水泵能够克服系统中的静扬程和水头损失。这篇文章只侧重于泵站的进水构筑物部分。

泵站的水力设计

典型的泵站进水构筑物由前池和进水池组成。前池位于开放渠道式或者管道式的入流端与水泵之间，起到良好的过渡作用。水泵生产商通常提供安装指导建议，以保证理想的入流条件。水泵可以安装在独立的泵室或一个共用的泵坑中。关于如何确定水泵吸入口与池底的距离、与侧墙的距离或者水泵间距、淹没水深等参数，可以咨询水泵生产商或者从通用资源中获得，如《美国泵站进水构筑物设计标准》。

针对前池的设计指导建议通常不会很具体，因为根据水量、水位标高或者泵组合形式等的不同，入流端和进水池的结构会有很多种。特别是对于一些多台泵的大型泵站，通常都会通过建模来配合进水构筑物的设计。建模能提供很多好处，不仅能显示现有的进水构筑物如何运作，而且能使我们更好地理解流态，从而对设计进行改进。

不利的水力现象

水泵设计基于无漩涡或夹带空气的均匀入流。因此，诸如吸入口预旋或非均匀流、流体内的漩涡和夹带空气等水力现象都可能发生在泵吸入口，进而影响水泵性能。不利的水力现象是由于泵吸入口中的不合适入流，但是根源还是在上游的前池。

不利水力现象的产生可以采用水力实验室中的物理模型或CFD的仿真技术，通过建模进行识别。这些不利的现象一旦被确认，就可以通过设计变更或增加改善流态的设施，以获得改进。

CFD

CFD是一种利用数值计算技术来解决通用流体方程的方法。几乎所有的CFD软件都是基于N-S方程，其源于牛顿第二定律的流体方程。N-S方程湍流的确切数值解是非常复杂的，因为要引入大范围的时间和长度尺度。在实际计算中，计算网格的尺寸应比湍流漩涡要小，但这在多数时候是不现实的。所以，当模拟湍流的时候，CFD软件使用时均方程，比如RANS方程。针对不同的流动特性，可以选用不同的湍流模型。

利用CFD，我们可以建立一个我们想要研究的系统或者设备的计算模型。然后通过解决通用的流体方程，来预测流体域和相关的物理现象。接着，可以分析结果和判定结果是否满意，如果还需要相关的设计改变，就需要重新进行一轮仿真。通常来说，CFD给我们提供了模拟湍流、多相流、热和质量传递、化学反应、声学和流固耦合的能力。

泵站的建模

泵站的建模同时基于物理和虚拟环境下，它一般遵循这些步骤。模型的边界取决于如何从前池获得一个可靠的流动状态。在分析运行条件后，选定一些更重要的关于运行中水泵组合或液位的信息，用于进一步的研究中，然后开始建模并设置测试参数。对于一个物理模型来说，这意味着建立一个有足够流动循环系统的模型。对于CFD来说，这意味着一个CAD模型的三维建模，划分计算网格，设置恰当的初始和边界条件，并选择正确的数值计算方法。操作不同的实验相当于模拟不同的流态。在一个物理模型的实验中，通常在实验过程中获取结果并进行分析。而在CFD中，想要分析结果必须在结果收敛之后。通常，在只需要研究很少流动条件的情况下，CFD的研究比较快。而在需要调整水位或者研究不同水泵组合时，物理模型研究要快得多。

物理模型和计算模型最大的区别就是结果的本质。在泵站应用上物理模型一般都是定性的。只有2个参数可以粗略的测量，即旋流角和泵入口的速度分布。相反，CFD本质上是定量的。它可以测量速度的3个分量、每个计算网格的压力数据(一个典型的泵站模型通常有几百万网格)。所以不仅可以得到比测量更为准确的旋流角和泵入口的速度分布，而且可以获得其他的流动特性，比如泵入口的角动量和叶轮相关的扭矩。这给特定的泵提供了动态的关系，从而可以建立更为相关的旋流角限值。其他数据，比如切变应力和压力，可以从速度和压力数据中获得。继而这些数据可以帮助分析其他量值，如损失、沉积或结构受力。

CFD案例

以下的案例阐述了一个典型的泵站进水构筑物的CFD模型研究是如何进行的。这个案例是假定的，但是是由实验室模型衍生出来的，此模型是用来研究两种进水池布置，即开放式进水池和肘型进水池。

泵站模型包括一段进水管、一个扩散形的前池和四台立式轴流泵的进水池。1#泵区是一个简单的、矩形开放式泵坑，泵位于中心线且距后墙一倍井筒直径的距离。4#泵区是一个简单的肘型进水口，包括一个斜坡面、修圆的拐角和泵入口处的防漩板。中间的2个泵区处于关闭状态，所以在此模型中可忽略。

图1.泵进水构筑物结构：进口管、前池、含4个泵区的进水池

流动型态

前池中的流态是对称的，如图2所示的流线。从进水管方向来的入流没有扩散直接通过了前池。它甚至直接进入中间的泵区然后转弯180度返回，之后转90度流向外侧的泵区。扩散区的流体明显地与侧墙分离，并在两侧形成了很大的回流区。

图2 用不同颜色显示的速度梯度流线的流动型态

前池的流动型态直接影响了泵区的流动型态。进入泵区的流体，被隔墙分离并沿着外墙流向水泵，如图3和图4所示。尽管图上显示的是对称结构，但是对于我们研究的两个泵区，水泵入口的流动型态却截然不同。在#1泵区，主要的流体沿着外墙一直向前流至后墙，然后沿隔墙折回。因此，泵的预旋非常激烈。而在#4泵区，流体同样从侧向进入，但是分离区却比#1泵区小很多。当流体加速通往水泵时，肘型进水口能有效地使水流流速分布均匀。就在水泵入口的上游，流体与隔墙轴线同向，之后几乎在断面里均匀分布。最后，来流在没有任何明显漩涡的情况下从各个方向对称进入水泵。

图3. #1泵区的流动型态

图4. #4泵区的流动型态

速度分布

图5至图8不仅阐述了之前所述的同样的流动型态，而且更精确地显示了速度在不同水柱中的大小和方向。

图5. 用速度颜色梯度和速度矢量显示的水面下的速度流场

图6.用速度颜色梯度和速度矢量显示的水泵入口下的速度流场

图7. 用速度颜色梯度和速度矢量显示的位于池底和水泵入口中间的速度流场

图8. 用速度颜色梯度和速度矢量显示的位于池底之上的速度流场

旋流

如前几节所述，及用流线、速度梯度图和速度矢量所示，流动型态清晰地表明了在1#泵入口有一个很明显的旋流，而流入4#水泵的几乎无旋流。图9详细说明了叶轮中心的流动特性。对于#1泵，水流绕轴线循环，具有接近0.5米/秒的较强的切向速度。相反，#4泵没有明显的旋流，切向速度也在+/-0.1米/秒之间。

旋流角，是一个常见的测量旋流的方法，它的定义是水流进入叶轮中心的切向速度Vt和轴向速度Va比值的反正切，如等式1所示。

等式1

在实际物理模型中，切向速度是通过旋转流量计的转速计算出来的，轴向速度是通过流量和泵叶轮进口处截面积计算得到的。在CFD模型中，水流角度是通过叶轮中心平面的区域平均切向速度和区域平均轴向速度的比值来确定的。用等式1计算出来的旋流角，#1泵为12度，而#4泵是0.5度。把这些数据和水力协会设定的旋流角的标准进行比较，#1泵的旋流角明显地超出了限定值。

图9. 泵叶轮进口处的旋流角度和速度矢量重叠的等势图

轴向速度分布

除了无旋流的条件外，水泵的优化运行还需要使沿叶轮轴向的速度分布近乎均匀。显著的非均匀流将降低水泵效率，并且会在水泵叶轮上引起脉动载荷。根据HI标准，水泵吸入口轴向速度分量平均值的偏差应该不超过10%。

图10显示了本地轴向速度分量和按公式2计算的轴向速度平均值标准对比偏差的等势图。

在这两种情况下，偏差都在限度内。由于不同的入流条件，#1泵比#4泵流速分布更为均匀。水流从各个方向以相对较低的流速进入#1泵入口，而#4泵的入流方向是从一个侧面，并在更高的流速下。因此，#4泵的最大流速略高于#1泵。在这两种情况下，墙附近的流速显示为负偏差，是因为边界层和非滑移条件假定墙上流速为零，因此不用考虑在内。

图10.平均速度轴向分量的相对偏差

漩涡

是否会在水泵吸入口附近产生漩涡是泵站设计需要注意的问题。漩涡进入水泵会降低水泵的水力效率，严重时会缩短轴承和密封的寿命。在泵坑中，漩涡通常发生在水面、泵坑底部或水泵进水口附近的墙上。

与水力建模相反，在CFD模型中漩涡的发生是很不明显的。有两种方式可以在CFD分析中显示漩涡。一种方法是寻找水面或泵进口附近的扭曲的流线。另一种方法是在水面或泵入口附近的壁面处的向量场寻找旋流型式。

图11显示了从后墙方向观测泵坑的视图。图片合并了略高于泵坑底面的流线和速度矢量，以全部显示任何底部漩涡。#1泵下的旋流型态和井筒中扭曲的流线清楚地表明了底部产生了漩涡。相比之下，#4泵下方没有旋流，泵内的流线笔直，所以没有底部漩涡。

图11. 泵坑底部附近的流线和速度矢量(从后墙观察)

图12显示的是#1泵区从上方和后方观察到的水面的流线型态，可以清楚的看到在泵和后墙之间的2个表面漩涡。

图12. #1泵区水面附近的流线;左边是从上方观察，后面是从后方观察

#1泵出现的底部漩涡和2个水面漩涡已经被与CFD进行同步研究的实验室所证实。

分析

#1泵的入流条件是不能接受的。在叶轮进口处的旋流远远超出可接受的限度，并且还有底部和水面漩涡。这些不良现象的起源可追溯至前池。前池是进水管和进水池之间的扩散过渡区，却没有均匀地分配入流。它作为一个独立模式的扩散通道在运行。流体没有沿着侧墙扩散流动，而是集中在前池的中央。然后流体转向，几乎沿直角方向进入泵区。结果，在泵区内水流被强烈扭曲并由隔墙分开。这种水流型式造成了#1泵区的水流绕井筒旋转。

尽管#4泵区的入流情况和#1一样糟糕，但是泵区的肘型进水口有助于纠正不对称和偏态流，使水流以均质和无旋流的流态进入#4泵。

CFD建模与物理建模

前几章节的研究表明，CFD在研究泵站水力条件方面功能强大。CFD比物理建模有很多优势，比如更快、更精确，或比物理模型更加定量化。CFD提供了更好的视角，使我们更好地理解当时的流动条件，这反过来又可以促进设计改进。另一方面，物理模型在确定最低液位或进行许多不同液位测试时，更有效率。可根据具体情况选择正确的方法。

在选择建模时一个更根本的问题是CFD是否可靠。很少有人敢质疑物理模型，因为是它已经使用了这么久，还有大家都理解它非常直观。我们可以看到物理模型中发生了什么，我们可以找出好的和坏的流态、漩涡或旋流。我们相信，建模的工程师已经在模型中选择了所有正确的选项、相似定律和比例。但我们能相信CFD或CFD工程师吗?

这是两个独立的问题。CFD是一个完善的科学，运用在许多不同的学科，从航空航天甚至在医学中使用。要证实这些超出了本文的范围，但毋庸置疑：如果能正确使用CFD，CFD就是可靠的。从而引申出第二个问题----我们可以相信CFD工程师吗?

一个CFD工程师面临许多挑战。有许多CFD代码可供选择，一些是通用的，一些是针对特定应用进行了优化的。在每个代码内还有许多选项，比如从数值方案到湍流模型，也有网格尺寸数量和计算时间之间的矛盾。为了帮助CFD工程师，也制定了不同行业的最佳实践准则。不幸的是，泵站的CFD建模落后于许多其他行业，并缺乏适用的最佳实践指南。此外，有关泵的进水构筑物的CFD模拟没有特定的验收标准，只能采用普遍的物理模型验收标准作为CFD分析的标准。

在这种情况下，为获得可靠的结果，应满足以下几个条件。两个基本条件是：对问题物理本质的理解和对CFD方法的精通。同样重要的是能够在实验中验证一些特殊的问题，所以具有相关的实验室或其他实验设施将是一个优势。最后，能够理解特定的水泵对个各种不利水力条件的敏感度也非常重要。拥有CFD泵的模型是一个优势，因为可以测试不利的入流条件来建立相关的限制条件。从物理建模中借用的验收标准是通用的，而且一般也是最保守的。如果满足上述四个条件，就可有效、可靠地使用CFD，来帮助改善泵的进水构筑物的水力设计。

结论

某些不利的水流条件会严重危害水泵的运行。尤其要避免泵入口的旋流、不均匀的速度分布和漩涡。要在设计过程中建模，以便找出不利条件并消除它们。

泵站进水池的CFD建模是一个强有力的工具，可作为物理建模的一种替代或者补充。

为了使CFD获得更可靠的结果，必须遵循

· 理解问题的物理本质

· 熟练使用CFD技术

· 对比验证CFD结果和实验

· 知晓特定泵的敏感度

正确的建模，可以帮助消除泵站中因为不利的入流条件带来的运行问题。