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泵站进水构筑物的CFD建模分析 文 / Zbigniew Czarnota, Ph.D., （赛莱默（中国）有限公司） 一、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。本文只侧重于泵站的进水构筑物部分。 二、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。 三、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。 四、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，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。 五、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。 六、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（见图1）。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。 进水池 前池 进水管