西河泵站工程出水流道优化设计

付爱华

(1.南昌大学，江西 南昌 330031；(2.中山市堤围管理中心，广东 中山 528400)

进、出水流道是低扬程泵装置的重要组成部分[1]。重要的大型泵站宜对泵装置进行三维流动数值计算分析，并应进行装置模型试验验证[2]。流道的水力性能对泵站的影响举足轻重,其水力设计质量的好坏不仅影响泵装置效率,而且影响泵站的安全稳定运行[3]。陆林广、汤方平等专家学者在泵装置CFD水力优化设计方面进行了系统的研究并取得了丰硕的成果，为我国泵装置水力性能的提高和泵站技术的进步做出了巨大的贡献[4-9]。

为保证西河泵站工程泵装置稳定、可靠和高效运行，在泵站进、出水流道设计时，先根据所选泵型、工程经验初拟进、出水流道型式和尺寸，然后采用三维流动数值计算软件对泵站进、出水流道尺寸进行优化计算。在该工程的初步设计阶段，建设单位、设计单位和扬州大学进行了进、出水流道和泵装置CFD优化设计计算研究工作，取得了较好的效果。本文介绍西河泵站工程双向竖井贯流泵装置出水流道(排涝时为出水流道，引水时为进水流道，下同)优化设计。

1 工程概况

西河泵站工程位于广东省中山市中顺大围西干堤岐江河西出口的西河水闸西侧，外临西江磨刀门水道。工程的主要任务是排涝、防洪(潮)，兼顾反向应急补水。泵站排涝设计流量400m3/s、引水设计流量145m3/s、泵站总装机容量18400kW，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(1)型，属特大流量特低扬程泵站。泵站采用8台前置竖井贯流泵装置(其中4台为单向泵、4台为双向泵)，单泵设计排涝流量为50.00m3/s、单泵设计引水流量为36.25m3/s，水泵叶轮直径为3.90m，进、出水流道均采用直管式流道[10]。泵站特征水位和净扬程见表1。西河泵站属于特低扬程泵站，为实现泵装置的高效运行，必须对流道进行必要的优化设计。

表1 西河泵站特征水位和净扬程 单位：m

2 可研初拟的出水流道型式及其尺寸

设计单位在可研阶段根据工程的特征参数以及已建类似泵站的经验，经工程类比和初步分析，初拟泵站的出水流道采用直管式流道，流道出口断面至水泵叶轮中心的长度为26.50m，其中流道总长(导叶体出口到流道出口，含闸门段，下同)为23.873m，流道出口断面的宽度和高度分别为10.00m和5.50m，流道内不设中隔墩，流道平面扩散角16.94°、当量扩散角11.77°，设计排涝流量50.00m3/s时流道出口断面平均流速0.909m/s、设计引水流量36.25m3/s时流道进口断面平均流速0.659m/s。可研初拟的泵站出水流道单线图见图1。

图1 可研初拟的出水流道单线图(尺寸单位：mm，高程单位：m)

3 出水流道优化设计

3.1 水力优化设计目标

对西河泵站出水流道进行水力优化设计，以水头损失为检验指标，要求达到以下目标：ⓐ流道型线变化尽可能均匀，流道内的水流转向有序、扩散平缓，以尽可能避免流道内产生涡流及其他不良流态；ⓑ尽可能多地回收水流的动能，最大限度地减少流道水头损失；ⓒ流道控制尺寸取值合理，满足水力设计允许的工程控制参数要求。同时，由于排涝工况的出水流道亦为引水工况的进水流道，此时，还要求达到以下目标：ⓐ流道内水流收缩均匀，无涡流及其他不良流态；ⓑ流道出口断面的流速分布尽可能均匀、水流方向尽可能垂直于出口断面[11]。

3.2 水力优化设计控制方程与计算软件

出水流道内的三维湍流流动的数值计算用连续方程和 Navier-Stokes方程进行描述；考虑到湍流流动的脉动特性，采用时均法把湍流运动看作是时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加；为了使方程组封闭，采用标准k-ε模型，引入反映湍动能的k方程和反映湍动能耗散率的ε方程。

随着近年来计算流体动力学方法(CFD)的迅速发展和应用，许多用于求解三维雷诺平均N-S方程和多种湍流模型方程组的专用软件应运而生。本次对西河泵站工程出水流道三维湍流流动的数值计算采用的是目前国际上应用广泛的Fluent软件，此软件已被大量地用于模拟泵装置进、出水流道和水泵内部的流动，进行泵装置的性能预测和优化设计。

3.3 水力优化设计方案及计算成果

流道优化设计先按可研阶段初拟的流道型线(编号为SC1)进行CFD数值计算，然后在该方案的基础上对出水流道进行型线优化，提出优化方案SC2～SC4，具体如下：

a.SC2方案。在SC1方案的基础上进行以下调整：ⓐ对导叶体出口与混凝土流道之间的连接段进行调整；ⓑ将出水流道断面圆变方段的长度由 14.68m减短为8.80m，以增大流道断面面积，同时便于施工。

b.SC3方案。在SC2方案的基础上进行以下调整：ⓐ将出水流道顶板的仰角由3.12°调整为5.19°；ⓑ对出水流道型线进行相应调整。

c.SC4方案。在SC3方案的基础上进行以下调整：ⓐ出水流道出口断面至水泵叶轮中心的长度由26.50m减短为25.50m；ⓑ在出水流道出口闸门段增设长度为9.55m、厚度为1.20m的中隔墩；ⓒ出水流道出口断面宽度由10.00m增加至10.70m。

SC2～SC4方案的流道单线图见图2～图4。

图2 SC2方案出水流道单线图(尺寸单位：mm，高程单位：m)

图3 SC3方案出水流道单线图(尺寸单位：mm，高程单位：m)

图4 SC4方案出水流道单线图(尺寸单位：mm，高程单位：m)

根据以上方案，采用Fluent软件进行数值计算，各方案计算结果汇总见表2，SC3、SC4方案流场见图5～图8。

表2 出水流道水力优化计算结果汇总

图5 SC3Z方案出水流道流场图

3.4 水力优化设计结果分析

由表2可以看出：可研阶段初拟的出水流道(SC1方案)正、反向的水头损失较小；反向运行时流道内流速分布较均匀、水流方向基本垂直流道出口断面。出水流道优化后，SC3方案较SC1方案和SC2方案水力条件总体有所改善，但效果不太明显；在正向运行工况时，水头损失减小0.002m，减小率为1.96%；在反向运行工况时，水头损失减小0.0012m，减小率为1.95%。由图5和图6可以看出：SC3方案正向排涝工况受流道进口环量的影响，水流呈螺旋状进入出水流道；出水流道内水流的旋转运动从流道进口一直持续到流道出口，在旋转状态下流畅地完成扩散过程；水流在整个流道内的扩散均匀平缓，在旋转水流所具有的离心力作用下，流道断面四周的流速大于中心的流速，流道内未出现明显的水流脱壁或旋涡等不良流态；SC3方案反向引水工况流道内的流速由进口至出口逐渐增大，整个进水流道内的水流收缩平缓、流速分布均匀、流线层次分明，无任何不良流态。说明可研阶段拟定的出水流道方案基本合理。

图6 SC3F方案进水流道流场图

由表2还可以看出：SC4方案较SC3方案和SC1方案水力条件稍差，但差距不大；在正向运行工况时，水头损失增加分别为0.0127m和0.0147m；在反向运行工况时，水头损失增加分别为0.0062m和0.0074m。由图7和图8可以看出：SC4方案正向排涝工况流道内增设中隔墩后，在中隔墩附近虽存在小范围低速区，但水流总体扩散平缓，流道内无不良旋涡；SC4方案反向引水工况进水流道的水流收缩均匀，流道出口流速分布均匀，水流方向基本垂直于流道出口断面。说明SC4方案从水力条件上讲不如SC3方案和SC1方案，但其水头损失和水力性能相差不大，流道水力性能仍属优异。

图7 SC4Z方案出水流道流场图

图8 SC4F方案进水流道流场图

3.5 出水流道最终设计方案选择

众所周知，泵站进、出水流道设计不但要考虑流道的水力性能，还要结合泵型、泵站运行年利用小时数、泵房布置等因素经技术经济比较后确定。

西河泵站是排涝泵站，兼顾反向应急补水功能，与供水泵站和调水泵站相比，其年利用小时数很低。根据中山市类似泵站的运行情况预测，其单泵年排涝开机在200h左右，双向泵单泵年反向引水开机预计在400h以内。以SC3方案为基准，SC4方案因水力性能差距在项目全生命周期(50年)的增量电费估算结果见表3。

表3 SC4方案增量电费估算结果

由表3可见：若采用SC4方案的出水流道，比采用SC3方案预计在泵站全生命周期增加运行电费仅为31.72万元。

由图3和图4可知：若采用SC4方案，泵房顺水流方向长度将比SC3方案减短1.00m，有利于节省泵房钢筋混凝土工程量。出水流道内增设中隔墩后，为保持流道的净宽，流道边墙会随之减薄；与此同时，因出水流道底、顶板垂直水流方向跨度减小，也可适当减薄出水流道底、顶板厚度，这都将减小泵房钢筋混凝土工程量。另外，出水流道内增设中隔墩，不但可减小泵站出水流道闸门跨度和工程量，而且还因出水流道的闸门变窄可采用单吊点启闭机启闭，也将有利于节约工程投资，还可提高闸门运行的安全可靠性。

出水流道若采用SC4方案，与SC3方案相比，其工程造价降低额估算见表4。

表4 SC4方案降低工程造价估算

由表4可见：若采用SC4方案的出水流道,比采用SC3方案预计可降低工程造价1068.75万元，从项目全生命周期的总投资来看，若采用SC4方案可节约成本1037万元。

因此，综合考虑流道水力性能、泵型、泵站运行年利用小时数、泵房布置等因素，经技术经济比较后，西河泵站工程双向竖井贯流泵装置出水流道最终推荐采用SC4方案，即：采用直管式出水流道，流道出口断面至水泵叶轮中心的长度为25.50m(其中出水流道总长为22.873m)，流道出口断面的宽度和高度分别为10.70m和5.50m，流道设1.20m厚的中隔墩，流道平面扩散角19.65°、当量扩散角11.75°，设计排涝流量50.00m3/s时出口断面平均流速0.957m/s、设计引水流量36.25m3/s时进口断面平均流速0.694m/s。

4 结 语

a.在对西河泵站双向竖井贯流泵装置出水流道水力优化分析计算的基础上，综合考虑流道水力性能、泵型、泵站运行年利用小时数、泵房布置等因素，经技术经济比较后，推荐采用的西河泵站工程出水流道SC4方案水力性能优异、项目全生命周期投资最省。

b.由于现行《泵站设计规范》规定出水流道当量扩散角宜取8°～12°，而推荐的西河泵站出水流道方案当量扩散角为11.75°，已接近规范推荐值的上限，虽经CFD计算后所推荐的出水流道水头损失仍较小，但因规范所限，未采用进一步缩短出水流道的方案。建议以全生命周期的投资最省的原则，得出可能的更经济方案，为今后类似泵站的流道设计提供参考。

c.出水流道扩散角对流道出水流态和水力性能的影响很大,是大型低扬程泵站出水流道三维型体水力设计的关键参数之一。现行《泵站设计规范》以当量扩散角作为出水流道主要水力控制指标，当量扩散角法实际上是将出水流道三维问题简化为二维问题来计算,完全不能反映流道中隔墩的影响，在很大程度上也不能反映流道内水流的实际情况,更不能满足现代大型低扬程泵站建设的高标准、高要求。随着CFD理论和技术水平的不断进步,现已完全具备了采用三维计算方法对流道进行水力优化设计的条件。建议在现行《泵站设计规范》修编时，对大中型泵站应要求进行流道CFD水力计算，以水头损失作为流道水力性能主要考核指标；对供水、调水泵站以当量扩散角和平面扩散角作为流道水力设计参考指标，对排涝泵站可不考核流道扩散角。