1、中国新技术新产品2024 NO.4（下）-121-生 态 与 环 境 工 程排涝泵站是为提高农田抗御自然灾害的能力，保证农业生产而兴建的重要水利设施。排涝泵站工程的主要功能是排涝防范和减轻农田受淹及缺水灾害。泵站的进水效率是排水系统中至关重要的因素。因此国内针对进水泵站的分析一直是研究热点。学者黄泽1用三维数值模拟方法对泵站进水流态进行研究，该研究对提高泵站稳定性有十分重要的指导意义。学者常鹏程等2利用三维数值模拟软件对泵站侧向进水流态紊乱的问题进行了分析，与未整流的泵站相比，整流后的泵站效率提高了约 10%。学者徐存东等3研究了多泥沙河流情况对泵站进水流态的影响，利用FLUENT软件对多种进
2、水泵站开机组合方案下的前池淤泥累积对进水流态影响进行数值分析，该研究为类似条件下的泵站设计提供了一定的参考价值。学者江文4基于FLUENT 软件对在弯道水流情况泵站前池引起进水流态紊乱情况进行分析，结果表明可以通过设置导流墩来有效调整弯道水流流向，提供泵站工作效率。学者罗海军5研究了前池和进水池进水流态紊乱对城市排水泵站的影响，结果表明可以通过设置导流墩来改善泵站进水系统水流流态，以此提高泵站的工作效率。1 工程概况目前，苏州市主汛期（68 月）总降雨量将达到 540mm以上，相较往年（504.4mm）偏多，暴雨出现次数多，强度大，对农作物和工农业生产影响较大，部分地区城市出现内涝问题。根据该
3、区域的流域降水特性以及区域历年受涝情况和实际排涝运行调查资料，主排涝期定为 68 月。因此，选择苏州市某涝区作为研究对象，该涝区在生态经济区的集约发展区，也是苏州都市圈的重要组成，产业具有较强的发展动力，可以对接苏州的交通、基础设施等，成为生态经济区内重要的产业集聚城市。因此苏州某涝区治理工程是非常必要的。2 数值计算采用有限元软件对苏州某涝区排涝泵站的流态进行数值分析，排洪泵站的前池主要用于平顺和扩散水流，将引渠和进水池合理地衔接起来，使水流平稳且均匀地流入进水池，为水泵取水提供良好的吸水条件。为了更好地反映实际情况，针对该工程前池不同运行水位进水流态特性进行分析，并对苏州某涝区排涝泵站进行
4、三维建模。该模型包括 3 个部分：南引水渠、前池和北引水渠。前池共有4 个进水池，进水池长 9.6m，宽为 3.5m。图 1 为示意图。对模型进行网格划分，针对关键区域（进水口和出水口等）网格进行加密处理，网格选择六面体网格。在保证模型准确性的前提下，尽可能简化离散模型。进液体表明与空气接触平面设置为 symmetry，其他面设置 wall。水管出口断面设置为自由出量。边界采用无滑动边界条件。紊流模型为 RNG-模型，模型交界面设置为静态交接面。在仿真过程中，可能还需要考虑其他因素，例如泵站的运行模式、水流的非恒定性、水体的温变效应等。通过有限元仿真方法，可以为排涝泵站的设计、运行和维护提供科
5、学依据。3 选取计算参数为了更直观地反映泵站进水流态的特点，分析流速均匀度和速度加权平均角。流速均匀度是一种参数，用于描述流体的速度分布情况。它反映了流体在管道或流通区域内速度的变化程度。通常是通过比较不同位置处的流体速度来衡量流速均匀度的，以此判断流体在整个区域内是否分布均匀。流速均匀度可以影响流体在管道、通道或设备中的性能和稳定性，因此在工程和流体力学领域中非常重要。流速分布均匀通常更容易控制和预测，而流速分布不均匀可能导致流体流动不稳定、能量损失或设备损坏。因此，在实际工程中，均匀流速状态很关键。了解流速均匀度可以有助于工程师和研究人员设计和优化流体系统，确保其运行效率和稳定性。速度加权
6、平均角是一种用于描述流体运动方向的参数。它通常用来分析流体中各位置的速度向量间的关系以及流体的整体运动趋势。速度加权平均角在进水流态分析中用来描述流体中速度向量的整体方向趋势，可以量化流体在某一截面上速度矢量的方向分布，反映流体运动的某苏州某涝区排涝泵站进水流态研究周宇翔陆泽林陈柳杰俞铭琦邹晓华（苏州市水利设计研究院有限公司，江苏 苏州 215129）摘 要：水泵的进水条件极易受到前池和进水池池内流态的影响，当池内流态变得紊乱，会降低水泵效率从而导致排水效率降低，进而使洪水风险升高，并且对周围的地区造成严重破坏。本文以苏州某涝区治理工程为研究对象，利用数值模拟软件对该工程在不同工作水位下进水泵
7、站进水流态进行分析，计算该泵站在不同运行水位下的流速均匀度和速度加权平均角。结果表明：对不同的运行水位来说，前池出口断面和进水池进水管前断面的均匀性和平滑性都很差。对未进行流态优化的泵站来说，其前池和进水池进水流态在不同的运行水位下，流态都比较紊乱，可根据具体泵站工程要求采取建造导流墩或隔板等措施来对泵站的前池和进水池进行流态优化。该研究对同类泵站研究进水流态具有指导意义。关键词：泵站；数值模拟；进水流态中图分类号：TV675文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（下）-122-生 态 与 环 境 工 程些特点，分析泵站进水流态的速度加权平均角对优化泵站性能具有重要意义。为了更好地理
8、解和分析流体流动行为，其过程如公式（1）、公式（2）所示。Vvvnauaiain?1110021/%（1）?vvvvaitiaiiaiin9011arctann（2）式中：Vau为轴向流速分布均匀度；va为平均法向速度；vai为各单元法向速度；vti为各单元横向速度；为速度加权平均角；n 为单元数量。4 计算结果分析4.1 设计运行水位泵站进水流态分析设计水位是指在正常运行条件下，泵站进水口的水位高度。这个水位需要考虑泵站的最低有效运行水位和最高安全水位。运行水位是指在实际运行过程中，泵站进水口的实时水位。这个水位可能会受上游来水、下游排水、泵站运行模式等因素的影响。运行水位的波动可能会影响进
9、水流态，例如产生回流、旋涡或流速分布不均。对设计运行水位来说，其泵站横断面前池面层、中层和底层的流态非常紊乱，存在面积很大的漩涡区和回流区。靠近 1 号进水池和 4 号进水池漩涡逐渐消失，前池内底层 3 号和 4 号进水池流态相比，面层和中层更紊乱，回流区域相对较大。为了更详细地分析泵站进水流态特性，对不同位置的纵剖面（前池出口断面位置和进水池进水管前断面位置）的速度加权平均角和流速均匀度进行计算。前池出口位置计算结果如图 2 所示。根据图 2 可得，4 号进水池的流速均匀度最大，为 68.9%，3 号进水池的流速均匀度最小，为 20.1%。4个进水池流速均匀度差值最小为 14.5%，差值最大
10、为 48.8%，流速均匀度在 4 个进水池差值较大，因此流体在整个区域内未呈均匀分布。对该泵站来说，在设计运行水位条件下，前池出口断面流速均匀性不好。速度加权平均值差值最大可达29.9，因此其进水流态平顺性较差。根据图 3 可得，2 号进水池的流速均匀度最大，为75.8%，3 号进水池的流速均匀度最小，为 55.7%。4 个进水池流速均匀度差值最小为 3.3%，差值最大为 20.1%，与前图 1 涝区排涝泵站模型图6m16m18.26m前池北引水渠南引水渠23.25m4m1号进水池2号进水池3号进水池4号进水池图 3 进水池进水管前断面水力性能柱状图图 2 前池出口断面水力性能柱状图速度加权平
11、均角（）速度加权平均角（）（%）（%）中国新技术新产品2024 NO.4（下）-123-生 态 与 环 境 工 程池出口断面流体均匀性相比好，但流速均匀度在 4 个进水池差值较大，因此流体在整个区域内未均匀分布。在设计运行水位条件下，该泵站进水池进水管前断面流速均匀性不好。其速度加权平均角差值最大为 16.2，因此其进水流态平顺性较好。根据流态分析的结果可知，需要采取优化措施，例如调整进水口的形状、增加导流结构、改变泵站的运行策略等，以改善进水流态。对设计水位波动来说，需要设置调节设施，例如闸门、溢洪道等，以维持稳定的进水条件。在实际应用中，合理设定设计水位对确保泵站高效、稳定运行至关重要。4
12、.2 最低运行水位泵站进水流态分析最低运行水位是指泵站在正常运行条件下所能维持的最低水位。在这个水位下，泵站仍能有效地吸水并保持运行，但通常需要特别注意进水流态，以避免因水位过低而导致的运行问题。对最低运行水位下的泵站进水流态进行分析，保证泵站稳定运行。对最低运行水位来说，其泵站横断面前池面层、中层和底层的流态比设计运行水位更紊乱，存在 4 个回流区，从面层覆盖到底层，流态极差。根据图 4 可得，1 号和 2 号进水池的流速均匀度最大，为 73.8%，3 号进水池的流速均匀度最小，为 62.5%。4 个进水池流速均匀度差值最大为 11.3%，流速均匀度在 4 个进水池差值较大，因此流体在整个区
13、域内未均匀分布。对该泵站来说，在最低运行水位条件下，前池出口断面流速均匀性不好。速度加权平均角差值最大为 23.7，因此其进水流态平顺性较差。根据图5可得，4个进水池流速均匀度差值最大为7.6%，差值最小为 0.4%，因此流体在整个区域内未呈均匀分布。在最低运行水位条件下，该泵站进水池进水管前断面流速均匀性较差。其速度加权平均角差值最大为 13.1，因此其进水流态平顺性较好。根据最低运行水位流态分析的结果可知，优化进水口和吸水管的设计，可以减少回流和旋涡的形成。例如，可以增加导流墙或调整吸水管的布局，使水流更顺畅地进入泵站。对最低运行水位下流态进行分析，保证泵站能够在低运行水位条件下稳定运行。
14、5 结论为了对苏州某涝区排涝泵站进水流态进行研究，首先对国内外排涝泵站相关研究进行了总结，简单介绍了苏州某涝区的工程概况，其次利用三维数值计算软件针对该涝区排涝泵站在不同运行水位下的进水流态进行计算，最后得出以下结论。1）对不同的运行水位来说，前池出口断面和进水池进水管前断面的均匀性和平滑性都很差。前池内进水流态最紊乱的情况出现在最低运行水位，在最低运行水位条件下，存在大面积的回旋区。2）对未进行流态优化的泵站来说，其前池和进水池进水流态在不同的运行水位下，流态比较紊乱，可根据具体泵站工程，通过建造导流墩或隔板等措施来对泵站的前池和进水池进行流态优化。参考文献1 黄泽.白屈港泵站进水流态分析及
15、改善措施研究 D.扬州：扬州大学，2023.2 常鹏程，杨帆，孙丹丹，等.多机组泵站侧向进水前池流态及整流措施分析 J.中国农村水利水电，2021（12）：229-234.3 徐存东，王荣荣，刘辉，等.多泥沙河流侧向进水泵站开机组合对前池流态的影响研究 J.水利学报，2020，51（1）：92-101.4 江文，于建忠，傅宗甫，等.弯道河段下游泵站进水前池流态及整流措施 J.人民黄河，2019，41（4）：83-87，118.5 罗海军，张睿，徐辉.改善城市排水泵站进水流态的试验研究 J.中国农村水利水电，2019（1）：176-179.图 4 前池出口断面水力性能柱状图图 5 进水池进水管前断面水力性能柱状图速度加权平均角（）速度加权平均角（）（%）（%）