城市综合排水泵站前池流态的数值模拟研究
时间：2023-06-25 18:50:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
袁树明
(东莞市运河治理中心，广东 东莞 523000)
本文以某市的排水泵站工程项目作为实证研究对象，该泵站在建设后期共有3台立式轴流机组，正向矩形箱涵式进水为该站前池的主要进水方式，在其矩形箱周围的水流扩散角度约为40°，以纵向角度而言，处于坡底处的坡度总值为0.354，面向泵站的总体累计长度为11.26 m，在进水池前端周围分布了3台作业水泵，各进水池之间通过隔墩进行分离。
1.1 控制方程
在实际泵站的作业过程中，经前池处理过后的污水处于较为汹涌的湍流状态，其雷诺系数相较于104通常更大，其流动方式主要为不可压性流动方式。本文创新性地将雷诺时均方程同具有标准化数据性质的k-ε紊流模型方程式相融合，通过导入具体的参数数值，可以得到面向不可压水流的控制展现方式[1-3]。在本文中，连续性方程的计算参数与构成部分可用式(1)表示,动量方程如式(2)，紊动能方程如式(3)。
(1)
(2)
(3)
式中：ui、uj分别为在i、j方向下速度矢量所表现出的分散数值；
xi表征笛卡尔坐标系的坐标具体刻度范围；
gi为在i方向下表现出的质量力数值；
ρ为水密度；
p为处于流体微元素上侧的水流槽向压力；
v为面向水流动态运动过程中所体现的黏度系数；
k为水流自身的紊动动能量；
ε为水流紊能的耗散率；
vt为水流的涡黏性系数;σk为紊动能。
1.2 边界条件参数
在对泵站前池相关数值动态模拟过程中，面向前池进口段边界周围主要基于速度入口条件进行计算，具体以水流进口速度、湍流动能与耗散率的比值进行表示；
在进口站边界处的具体计算数值以自由出流数值作为边界性计算条件，在计算过程中，水流梯度计算数值(以水平流动方向为例)通过θ表征；
将标准式壁面应用于黏性底层作为函数处理标准方法。
1.3 模拟数值计算方法
将面向计算对象的有限体积计算方式作为控制方程离散度的量化方式与分析标准，在控制体中心范围处，同时融合水流动态压力、湍动能、水流耗散率，计算方式选取压强耦合算法，方程的求解则选用SIMPLEC算法。
2.1 数值模拟评价指标
(1)面向前池两断面水力损失值hw的计算。借助三维数值模拟，可以具体计算得出参与计算水流处于动态流动范围状态下所呈现的水流湍动动能压力扩散情况，考虑到计算结果的代表性，本次研究仅选择两个断面进行实际模拟与演示，以客观评估其水力损失值，进一步构建断面具体的水力损失值情况，并将其作为本文研究中具体的评价指标，见式(4)。
hw=E2-E1=
(4)
式中：hw为水力损失值；
E1与E2为过水桥面1与过水桥面2处的整体性累积总能量计算数值；
p1与p2为两个断面处处于静态情景下的平均湍流动水压强计算模拟数值；
Z1与Z2为过水断面1、断面2的形心点距基准面的高度参数数值范围；
v1与v2为两处断面的水流均速。
(2)流速分布不均匀系数N的计算。排水泵站前端进水池内部的水流流态对水泵的整体工作性能产生直接影响，而面向进水池进口段的流速均匀情况进行计算有助于为水泵的高效运行提供参考。将排水泵站前池段扩散结束后的断面作为进水池进口典型的断面示例，同时以该示例所蕴含的流速不均匀系数作为对多孔口配水系统不同形式下前池流态优化状态评价的另一核心指标，其计算如式(5)：
(5)
2.2 无整流措施情景下前池流态分析
处于无整流措施情景时，排水站前池处水流的平面流速分布情况见图1。从该图的计算模拟数值可知，在箱涵处于进水状态后，污水在箱中的主流方向为前池区域的中间位置，而处于前池两端处的水流流动速度整体相对较小，在前池处还进一步导致了较为严重的区域回流现象，且回流面积整体涉及范围较大，逐渐蔓延、过渡到边缘壁垒区域，从而导致前池进水段处所呈现的水流进入速度不均匀，由上述数据可知，在该前池处的整体不均匀系数较高，污水进流速度极其不均匀，阻碍了机组的工作效率，极易诱发泵站机组的突发性振动，降低机组的安全性能。
图1 无整流措施情景下前池流态分析
2.3 在加设八字形导流墩后的整流效果
导流墩是十分普遍的常规工程措施，其主要的工程作业原理是通过不同角度的导流墩对污水的导流作用，实现对箱涵的分割与调整，进而使其中存在的污水发生转向，减少在前池平面处的扩散角度，并于平面上方实现对水流的均化作用，有效消除处于前池处的壁面回流与水流偏流现象。前池导流墩的建设参数设置与前水池中水力条件两者之间存在较为显著的密切关联，因此，前池进水口周围的建设参数设置较为敏感。
图2中八字形导流墩的主要设置参数有导流墩处的墩头布置位置L1以及L2，其中，L1表征两墩头间距数值、L2表征前池进口处宽度数值(5.0 m)。由图2可知，导流墩的初始布局位置起始于前池的进口端处，并且采用对称的配置方式。在设计过程中，考虑到对导流墩实际作业效能的影响，将前端端口间距同前池进水口段间的模拟数值参数设定为0.24，以该参数情景出发，L1=1.2 m。分别设定处于不同参数情景下的导流墩夹角数值α，进一步将其同导流墩长度l进行整合计算，在得到上述数据后，面向该排水泵站前池段的实验参数数值进行模拟计算，由此分别求得排水泵站前端进口断面的流速分布不均匀系数以及前池两处断面的水力损失，具体计算结果见表1。
图2 在加设八字形导流墩后的整流效果
表1 前池相关数值模拟参数计算结果
2.4 排水泵站进水池的流态分析
在现实的作业过程中，在进水池前端端口的进水方式、建筑规模与建筑的布局情况与具体的水流流速均会对水流形态产生一定程度的影响[4]。本文依据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)中的相关要求，对泵站前池处的标准设计要求进行分析。泵水站前池的建设要求主要为能够保证池内的水流流态良好，可以及时满足水泵的进水与排水要求，有助于更加方便地清理与维护淤泥。在正向进水扩散前池处的临界扩散角度为20°～40°，根据该角度参数，前池处的扩散角度应与水流临界的扩散角相等或相比其更小，若不满足该标准，则极其容易导致前池内部出现脱壁回流现象。该排水泵站前端进水池的各项参数计算数值具体如图3～图5所示。
图3 进水池流量矢量分布
图4 H=2.8 m情景下流量矢量分布
图5 前池表面速度等值线分布
根据上述各图中所展现的参数情况，前池进水口处阶段性表现出一定范围的区域壁面回流与水流漩涡，在水流漩涡的影响下，水流的逆向动能难以被有效地分散，相反的，其水流聚集现象较为显著，并且存在沿着进水端方向的动能压缩现象，两侧的水流分布困难，中间处的流动速度较大，而整体压力较小，因此，在流速与压力具有一定数值差距的情况下，前池处的两侧便极易形成回流与漩涡，影响进水池的结构与作业安全性。导致该现象的主要原因为前池端的整体扩散角度较大，但是相应地，其长度较短，由此导致可供调整水流流态的空间十分有限，主流不能够及时扩散，前端的淤泥被后端的淤泥阻挡，由此在前池端口处产生回流区域与水流漩涡，基于上述情况需要对排水泵站前池的结构形态进行优化。
在面向排水泵站整体的建筑结构与设施布置范围进行设定时，如想要收获较为满意的进水形态，则需要从两个方面进行设计与施工，其一为消除大尺度回流现象；
其二为使水流在前池的宽度上能够进行均匀地扩散。在实际作业环境中，前池内部的回流与漩涡现象主要诱发原因是排水泵站前池处进口段边壁的各边界层之间存在分离流动现象，该点无论面向正向前水池抑或侧向前水池都是相同原理。在前池进水口处若要实现对水流流态的有效调整，本文综合考虑上述因素，采取底坎整流的研究方案面向该泵站前池进行优化设计。
(1)进水前池的梯形底坎是面向进水池前端进水口最为普遍的整流措施。在设置底坎后能够实现两个主要建设性作用，其一，可以实现面向入站水流的翻滚与旋转，水流的持续、落差性翻滚会使坎后平面处出现回流幅度差值，因此，水流的能动性作用也会相应增强，水流的旋转现象被有效削弱，当水流汇聚到前水池时，水流能够保持均匀的流动状态，底坎处的剩余水流动能被显著削弱与保留，由此可见，增加了一定程度水头损失的情况难以有效避免，但是从整体而言，水泵机组的整体装置运作效能要显著高于这一附加条件下的水头损失。此外，底坎所产生的消除回流的具体现实效果同水深间的比值具有正向关联，合理的底坎设计可以有效地对水流漩涡强度与范围进行控制，由此削减回流强度。
(2)在本文中面向该水泵站前池的设计内容具体如下：在距离吸水管5 cm处，于垂直进水方向布置底坎，所布置底坎周围的参数具体为：底部宽为1 m、下底处宽达2 m，高程至1 m。
(3)通过上述优化方案，水流在实际的流动与处理过程中，可被阻挡于底坎两侧，并形成两个各自独立的紊动扩散区域，基于上述动能扩散区域，为水流的动态势能提供了充足的协助力，能够减少由于漩涡现象带来的不良水力现象，防止出现较大幅度的区域性回流；
部分水流在越过底坎后，经由导流墩被有效分割与挤压，进一步于前池处出现紊动的扩散现象。在本次面向泵站前池的参数数值模拟过程中，三维立体状态下的水流动能特征表现得较为显著，此外，在边墙侧面处呈现的水流流速也在瞬间呈现增大趋势，并且在前池内部的水流漩涡被极大程度的削弱，水池优化基本实现。
本文以某市排水泵站为研究实例，对其前池参数进行了数值三维模拟。首先，提出了相关的数学模型与计算方法，具体包括：控制方程、边界条件参数、模拟数值计算方法；
其次，对泵站前池有关模拟数值进行计算与分析，并着重分析了在加设八字形导流墩后的整流效果，同时，分析了排水泵站进水池的流态；
最后，在数值模拟分析的基础上，提出了排水泵站前池进水流态改善措施。本文可以为城市综合排水泵站的建设与维护提供有效参考。
