樊新建，董春海，王之君，陆亚楠，姚 薇

泵站正向进水前池扩散角对池内流场结构的影响

樊新建，董春海，王之君，陆亚楠，姚 薇

（兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050）

针对从多沙河流取水的大型泵站进水前池内水流流态较差，易在池内产生大尺度回流区域，导致泥沙严重淤积等问题，该研究以甘肃省景泰川电力提灌工程典型泵站的正向进水前池为研究对象，构建不同扩散角体型结构的正向进水前池三维模型，基于Mixture多相流模型和Realizable模型开展数值模拟计算，阐明了正向进水前池流场结构特征，提出了有效改善正向进水前池流场结构的扩散角范围。结果表明：泵站机组全开时，正向进水前池内流场结构对称分布，在进水前池中央形成主流区，两侧形成回流区，中央主流区域水流流速远大于两侧回流区，主流效应显著；
随着扩散角的减小，两侧低流速区面积减小，主流区域流速呈下降的趋势，区域宽度呈现增加的趋势，进入前池的水流扩散效应增加明显；
扩散角在25°～30°之间时，入池的水流沿流程发展和扩散较为充分，有效改善多泥沙河流引水泵站前池的泥沙淤积，研究成果可为同类泵站的设计和更新改造提供指导和参考。

泵站；
数值模拟；
正向进水前池；
扩散角；
流场结构；
泥沙淤积

前池作为泵站进水建筑物中不可或缺的部分，具有平顺、均匀扩散水流的作用，为水泵取水提供良好的进水条件[1-2]。对于从多泥沙河流提水的泵站，极易因进水前池体型结构不佳，在池内形成漩涡、回流等不良流态，导致泥沙严重淤积[3-4]。究其原因，进水前池的体型结构决定池内流场结构，流场结构紊乱不仅会在进水前池内产生泥沙淤积，还会恶化机组进水条件、降低泵站运行效率，严重制约灌区工程效益的发挥[5-8]。

随着计算流体力学（computational fluid dynamics）理论与技术的发展，数值模拟和理论分析为研究泵站前池水流流态和泥沙淤积的主要方法，现阶段该领域的专家学者已开展了大量研究工作。CONSTANTINESCU等[9]分别采用模型和模型模拟了泵站前池的漩涡分布特征，得出了选取合适的湍流模型对前池内的旋涡分布有着重大影响的结论。资丹等[10]针对正向泵站进水前池，采用CFD技术开展大型泵站组合式导流墩整流研究，结果表明“八字型导流墩+川字型导流墩+十字型消涡板”的组合式导流墩，可有效改善前池流态，提高水泵运行稳定性。李颜雁等[11]采用数值模拟的方法，基于3种不同增设立柱方案对前池进行整流，结果表明：增设非等间距双排立柱可使前池流速分布较为均匀，改善前池水流流态。周济人等[12]针对侧向进水泵站，采用CFD软件，基于N-S方程和Standard湍流模型对前池流态进行了数值模拟，结果表明加设“Y”型导流墩流速分布有所改善；
加设底坎后，位于翼墙前方的旋涡消失，流场发生变化；
加设导流墙有效优化了前池的水流流态。雷镇等[13-14]均对泵站前池内的导流底坎进行了研究，分别提出了组合底坎整流的合适参数及底坎的相对高度、相对距离参数，从而改善前池内水流流态。蔻元之等[15]通过物理模型试验，分析了泵站的正向进水前池在不同的泥沙含量和不同工况下的流态分布特征和泥沙淤积特点。高传昌等[16]应用数值计算方法，提出了在进水池设置导流台、水下消涡板和W型后墙导流墩的组合整流措施，结果表明，组合整流措施有效的改善了进水池的水流流态和速度分布。徐存东等[17]对多沙水源提水泵站引入逆向工程技术，建立淤积状态下和非淤状态下的三维泵站前池模型进行了水沙两相流数值模拟，分析了开机组合对前池流场特性的影响，结果表明泵站机组对称开启时，主流扩散效果有所提高，泥沙淤积情况略有改善。上述研究表明，目前针对在前池内设置导流墩、导流墙、底坎、立柱、压水板等局部整流设施，改善开机组合来优化前池内含沙水流流态的方法居多，但对前池体型结构，尤其是前池边墙扩散角度对池内水流流场结构影响的研究还相对匮乏。

基于此，本文以甘肃省景泰川电力提灌工程（简称“景电工程”）典型泵站的正向进水前池作为研究对象，采用数值模拟与现场测试相结合的手段，开展大型泵站正向进水前池边墙扩散角对池内流场结构的影响研究，以获得前池水流流场结构特征，提出有效改善多泥沙河流引水泵站正向进水前池泥沙淤积的边墙扩散角范围，拟为同类泵站的设计和更新改造提供参考。

1.1 研究对象

1.1.1 泵站参数

“景电工程”是一项高扬程、大流量、多梯级的大Ⅱ型电力提水灌溉工程，工程自黄河提水，共建有泵站40余座。典型泵站是该提水工程中前池泥沙淤积问题较为突出的泵站，如图1a所示，其前池结构形式为正向直线扩散型，包括引渠段、前池段、进水池、出水管等，其中进水前池长度=33.83 m，入口端宽度B=11.7 m，末端宽度B=31.25 m，池深=3.97 m，边墙扩散角=46°，泵站设计提水流量23 m3/s，设计前池水位1 591.83 m，共布置装备8台机组，其中2#～7#机组为常开机组，1#、8#机组为备用机组，吸水管管径为1.4 m，池底缓坡段坡度为1∶3，正向进水前池结构形式见图1b。

注：α为进水前池扩散角度，(°)；
L为进水前池长度，m；
Bm为进水前池入口端宽度，m；
Bn为进水前池末端宽度，m；
h为进水前池池深，m；
1#～8#为机组编号；
X1～X7、Y1～Y7、Z1～Z3为观测断面。

1.1.2 泥沙特征

典型泵站正向进水前池内泥沙淤积形态基本呈对称分布，中央区域泥沙淤积量少，两侧区域泥沙淤积较为集中，且越靠近边墙，泥沙淤积量越多，淤积坡面平滑，形成了新的过流通道，严重影响泵站的正常取水。

对泵站引水泥沙含量及粒径取样分析，结果表明：泵站引水年均泥沙含量约为30 kg/m3，汛期最大泥沙含量达326 kg/m3，前池内悬浮泥沙颗粒粒径分布在0.02～1 mm之间，其中小于0.063 mm的泥沙粒径占比达到90%以上，属于极细颗粒沙土。可见，该泵站提水水流具有含沙量高、泥沙粒径小的特征，这也是导致进水前池内流场结构紊乱，泥沙淤积问题突出的根本原因。

1.2 控制方程

由于前池水流中既存在流体介质，还存有悬浮泥沙等固体物质，在探析前池内的流场结构时不应忽视多场耦合状态，故采用ANSYS 10.0-Fluent分析软件，基于Mixture多相耦合控制方程[18-19]展开固液两相流模拟。

Mixture模型连续性方程：

Mixture模型运动方程：

式中为混合流体密度，kg/m3；
为第相的密度，kg/m3；
为第相的体积分数；
为质量平均速度，m/s；
为流场压力；
为相数；
为混合流体黏滞性系数，Pa·s；
为第相湍流运动粘性系数，Pa·s；
为重力加速度，N/kg；
为体积力，N；
为次相等相的流速，m/s。

1.3 湍流模型与网格划分

由于前池尺寸较大，池内水流流动较为复杂，常常会发生回流及水流脱壁现象，故选择Realizable[20-21]湍流模型进行水沙运动数值模拟与实际更为接近。借助ICEM-CFD软件对所建立的正向前池三维概化模型进行非结构化网格[22-23]划分，对比5种网格划分方案（全局最大单元尺寸分别为0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 m），经网格无关性检验，发现当全局最大单元尺寸为0.35 m、计算域内网格数为250.5万时，网格质量均达到0.3以上，保证了求解过程中的计算效率和精度。正向进水前池网格划分结果如图2所示。

图2 前池网格划分结果

1.4 边界条件与计算方法

前池进口采用velocity-inlet（速度入口）[24]作为入口边界条件；
出口断面设置在泵站压力管道处，边界条件设置为outflow（自由出流）；
前池自由液面浮动变化较少采用刚盖假定法来模拟计算自由液面；
计算域其余壁面皆为固体边界，采用wall-function method（壁面函数）进行处理。将水沙两相流体设为本次计算介质，主相为水，密度水=998.2 kg/m3，次相为沙，密度水=2 500 kg/m3，泥沙粒径为0.025 mm，体积分数为1.2%，入口平均流速为1.71 m/s。在对前池内的水沙运动进行数值模拟计算过程中，采用二阶迎风格式的隐式求解以确保计算精度[25-26]，选用基于分离求解器的SIMPLEC算法进行流场耦合[27]，迭代残差精度不低于10-4，并对模拟结果做可视化处理。

1.5 模拟设计方案

为研究正向进水前池边墙扩散角的改变对前池流场结构的影响，保持进水前池入口端宽度B、长度以及进水池和吸水管等结构和放置方式不变，分别建立前池边墙扩散角为20°、25°、30°、35°、40°、46°6种体型的前池，其中=46°为工程原型前池边墙扩散角，模拟机组设计运行工况为2#～7#机组开启，1#、8#备用机组关闭，前池结构示意图详见图1。

为便于更直观地分析前池内流场结构特征及水流流速分布规律，定义沿水流方向为方向，垂直水流方向为方向，沿水深方向为方向，确定观测断面，将面与面的相交线确定为观测特征线，表述为+断面名称（如1与1观测特征线为l1-Y1），观测断面位置如图1所示，断面相关参数见表1。设进水前池入口断面平均流速为0，池内水流流速为，将池内水流流速与入口断面平均流速0相除作无量纲处理，绘制沿池内相应断面的流速分布图。

1.6 模型验证

采用HXH03-1S型超声波多普勒流速流向仪对景电灌区典型泵站正向进水前池内均匀布置的98个流速测点进行现场测量。选取2断面与3断面相交的特征线l3-Z2与实测值进行对比，并采用相对误差、标准差[28]2个值进行误差分析，以验证数值模拟的准确性。图3b给出了特征直线l3-Z2上流速实测值与模拟值，由图3b可知，l3-Z2上流速实测值与模拟值的整体变化趋势基本一致，两者相对误差最大为0.226，标准差误差为0.026，实测结果与模拟结果相近，表明采用数学模型对正向进水前池内流场的计算结果准确可靠。

表1 观测断面参数

注：1～7为沿垂直水流方向观测断面，是观测断面距前池入口断面的距离；
1～7为沿水流方向的观测断面，是观测断面距前池中心线的距离；
1～3为沿水深方向的观测断面，是观测断面距进水前池池底的距离。

Note:1-7represents observation sections vertical the flow direction,represents the distance between the observation section to the inlet section of the forebay;1-7represents observation sections along the flow direction,represents the distance between the observation section and to the center line of the forebay;1-3represents observation sections along the water depth direction,represents the distance between the observation section and the bottom of the intake forebay.

2.1 扩散角对前池内流场结构的影响

图4给出了不同扩散角下正向进水前池2断面流场分布。由图4可见，泵站机组全开时（2#～7#机组开启），正向进水前池内流场结构对称分布，水流自引水渠进入前池后逐渐扩散，在进水前池中央形成主流区，两侧形成回流区。主流区内水流流态均匀，水流流速高，入池水流表现出的携沙运动能力突出，区域内泥沙浓度低，沿水流方向主流区宽度在扩散型池身的作用下不断增大；
两侧回流区内产生两个近似对称的立轴漩涡，呈椭圆形形态分布，涡心位于进水前池末端，漩涡的存在一方面限制了主流的扩散，导致入池水流扩散效果不理想，另一方面降低了区域内水流流速，削弱了水流的携沙运动能力，泥沙出现悬浮、停滞现象，泥沙浓度上升，同时悬浮、停滞的泥沙在自身重力的作用下向下层沉降输移，致使泥沙在进水前池两侧产生淤积。

图4 不同扩散角下Z2断面流速分布流线图

由图4a可见，工程原型前池（=46°）主流区最大宽度为1.46B，仅为前池对应断面宽度的31.98%，漩涡回流区面积约为进水前池面积的45%，进水前池内流场结构较为紊乱。扩散角为40°、35°、30°、25°、20°时，主流区最大宽度分别为1.50B、1.66B、1.71B、1.75B、1.70B，为前池对应断面宽度的33.07%、39.65%、41.13%、42.76%、42.55%，漩涡回流区面积相对于工程原型前池分别减少了27.75%、42.69%、50.47%、62.49%、86.25%。可见，大扩散角进水前池边墙对水流的约束能力较弱，水流产生严重的脱壁现象，在主流区两侧产生大尺度的旋涡回流区，在两侧大面积立轴漩涡的挤压作用下，主流区宽度和其占前池对应宽度比值均较小；
而减小前池扩散角后主流区宽度和其占前池对应宽度比值均有所增大，漩涡回流区面积被大大削减，入池水流得到充分扩散。

经对不同扩散角体型下的正向进水前池内水流流态分析，发现不能通过不断减小进水前池扩散角的方式来改善进水前池内流场结构，过小扩散角的进水前池会受自身较小体型结构的约束，限制主流的扩散，导致水泵机组进水条件的恶化。计算结果表明，扩散角在25°～30°时，前池主流区最大宽度和其占前池对应断面宽度比值较大，回流区面积占比进水前池面积较小，入池水流扩散效果较佳、流场结构稳定，可以有效地改善前池内泥沙淤积状况，提升泵站的运行效率。

2.2 扩散角对前池内水流流速分布的影响

2.2.1 水流流速沿垂直水流方向分布规律

图5给出了泵站进水前池内水流流速沿垂直水流方向典型分布。由图可见，正向进水前池内水流流速沿垂直水流方向呈中间大两侧小的分布，两侧存在低流速区，且在池前导流墩的作用下中央主流区域流速出现一定幅度的波动；
入池水流的主流区两侧明显存在一个流速骤降区，在靠近边墙附近略有回升。沿水流流动方向，入池水流得到有效扩散，水流流速不断减小，导流墩的作用被削弱，中央主流区域流速波动幅度自断面1至断面6逐渐减小，同时低流速区内漩涡对水流的影响增强，主流区域两侧流速曲线骤降区与回升区域面积增加。

图5 水流流速沿垂直水流方向分布

由图5a、图5b可见，正向进水前池中央主流区域流速平均值约前池进口平均流速的70%～95%，两侧回流区内流速平均值约为前池进口平均流速的15%～30%，中央主流区域水流流速远大于两侧回流区，中央区域主流效应显著；
进水前池内的流速分布不均匀导致池内泥沙浓度呈中间低、两侧高的分布，自前池中央向两侧泥沙浓度递增。由图5c、图5d可见，不同扩散角下前池内水流流速沿垂直水流方向分布特征相似，中央区域为主流区，两侧为低流速区；
当前池边墙扩散角较大时，主流区两侧回流区域面积大，进水前池内产生的漩涡尺度及强度较大，对中央主流区域产生的挤压效应严重，水流有效过流面积减小；
随着扩散角的减小，主流区域两侧流速曲线骤降区与回升区域面积减小，主流区域流速下降，区域宽度增加，表明进入前池的水流扩散效应增加明显。

2.2.2 水流流速沿水流方向分布规律

图6给出了不同扩散角下前池内水流流速沿水流方向典型分布。图6a、图6b为主流区域水流流速沿水流方向分布，区域内的水流流速沿流程逐渐减小。扩散角在25°～46°之间时，主流区沿纵向流速随扩散角的减小而逐渐降低；
扩散角为20°时，主流区的纵向流速比扩散角比25°、30°的大，在5断面与直线l4-Z2交汇处，=20°时的流速分别约为=25°、=30°的1.20、1.10倍，这表明当扩散角过小时，入池水流受前池较小体型结构的约束而未能得到有效的扩散，扩散角为25°～30°间的前池入池水流沿流程发展和扩散较为充分，有利于形成稳定的前池流场结构，减少因进水前池泥沙淤积而导致泵站运行效率下降的问题。

图6c为主流区与回流区之间过渡区域水流流速沿水流方向分布，区域内水流流速自边墙起在主流的扩散和带动作用下，沿流程逐渐增大；
水流行进至进水前池末端和进水池段时，过水断面突增，同时受泵站机组吸水作用，水流迅速向两端扩散，使得水流流速快速增加，在/m=3.5附近达到最大值。图6d为低流速区域水流流速沿水流方向分布，可见，回流区内流速较低，涡心处流速接近为0，最大逆向流速出现在扩散角为46°前池回流区内/B=3.12位置，其流速值为-0.330；
随着扩散角的减小，前池内逆向流速值减小，最小逆向流速出现在扩散角为30°前池回流区内/B=3.35位置，其流速值为−0.230；
当扩散角小于25°时，该特征直线所在的断面回升区位于边墙附近，逆向流速基本消失。

图6 水流流速沿水流方向分布

2.2.3 水流流速沿水深方向分布规律

图7给出了泵站进水前池内水流流速沿水深方向典型分布。由图7a可见，正向进水前池水流流速沿水深方向分布形式为常见的指数型，在水深00.09B内水流流速呈突增的趋势，自水深0.09B断面处至水流表层流速增长率迅速减小至接近于零，流速达到最大值后趋于稳定，稳定的水流流速保证了进水前池内上层水体的良好入池流态；
受水流流速对泥沙输运的影响，表层水流泥沙浓度低，下层水体泥沙浓度高，自水流表层至池底处泥沙浓度逐渐增加，使得泥沙在回流区影响范围内出现淤积现象。沿水流流动方向，进水前池内沿水深方向水流流速不断减小，进一步展现了水流在流动过程中的扩散成效。

图7b给出了正向进水前池不同扩散角下典型特征线上水流流速沿水深方向分布。可见，不同扩散角下前池内水流流速沿水深方向分布特征基本保持不变，均为指数型分布；
原型前池扩散角较大为46°，沿水深方向水流趋于稳定后的流速值最大，随着扩散角的减小，趋于稳定的流速呈不断递减趋势，说明水流得到良好的扩散。

图7 水流流速沿水深方向分布

采用数值模拟和现场实测相结合的方法，研究了大型泵站正向进水前池不同扩散角体型结构下池内的流场结构及水流流速特征，主要结论如下：

1）泵站机组全开时，正向进水前池内流场结构对称分布，在进水前池中央形成主流区，两侧形成回流区，回流区内产生漩涡；
前池扩散角较大时，两侧回流区对主流区的挤压作用明显；
缩小前池扩散角能够有效减小两侧回流区的挤压作用，进入前池的水流扩散效应增加明显，缩小回流区和漩涡的尺度，优化池内水流流态，提升了池内流场结构的稳定性。

2）泵站正向进水前池内水流流速沿垂直水流方向呈中间大两侧小的分布，入池水流的主流区两侧明显存在一个流速骤降区，在靠近边墙附近略有回升；
中央主流区域流速平均值约为前池进口平均流速的70%～95%，两侧回流区内流速平均值约为前池进口平均流速的15%～30%，中央区域主流效应显著。沿水流流动方向主流区水流流速由于水流的扩散作用沿流程逐渐减小，扩散角在25°～46°之间时，主流区沿水流方向流速随扩散角的减小而逐渐降低；
扩散角过小时，入池水流受前池较小体型结构的约束而未能得到有效的扩散。沿水深方向水流流速呈指数型分布，在水深0～0.09B范围内流速增加速度快，随后变化梯度小。

3）泵站正向进水前池扩散角在25°～30°之间时，入池的水流沿流程发展和扩散较为充分，可以有效改善多泥沙河流引水泵站前池的泥沙淤积，提升泵站的运行效率。

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Influence of diffusion angle on flow field structure in forward intake forebay of pumping station

FAN Xinjian, DONG Chunhai, WANG Zhijun, LU Ya’nan, YAO Wei

(730050,)

A pumping station is widely used in a water distribution system for the efficient and reliable transportation. However, the sediment deposition can pose an outstanding decrease in the operating efficiency of pump station. Particularly, the water is taken from the river with the high content of sand, such as in the Yellow River Basin. More importantly, the low flow pattern and large-scale backflow area can often occur in the forward intake forebay of a large-scale pumping station. The current anti-siltation measures cannot effectively improve the intake field structure in large-scale pumping station, due to the multiple dimensions, and single rectification. In this study, a systematic investigation was made to clarify the influence of diffusion angle on the flow field structure in the forward intake forebay of a pumping station. The typical research object was taken as the forward intake forebay of large-scale pumping station in Jingtaichuan Electric Power Irrigation Project in Gansu Province of China. A field investigation was firstly performed on the sediment deposition in the forward intake forebay of pumping station. The sampling was then implemented to analyzed the variation characteristics of sediment concentration and sediment particle size in the water flow from pumping station. A three-dimensional model was also established for the forward intake forebay with the different diffusion angle. Numerical simulation was carried out using the Mixture multiphase, and Realizable-model. The actual flow measurement was utilized to verify the accuracy of the numerical calculation. The characteristics of flow field structure were clarified in the forward intake forebay, together with the variation under the diffusion angle of the forebay. The mechanism of sediment deposition was revealed to propose the diffusion angle range for the optimal flow field structure in the forward intake forebay. The results show that the flow field structure was symmetrically distributed in the forward intake forebay of pumping station under the design operation conditions of the unit. The mainstream area was formed in the center of the intake forebay, whereas, the backflow area was formed on both sides. The flow velocity and the ability of current to carry sediment in the central mainstream area were much higher and stronger than those in the backflow area on both sides. The sediment deposition decreased significantly from the both sides to the center, indicating the significant mainstream effect. Furthermore, the squeezing effect of vortices was weakened in the backflow areas on both sides of the intake forebay on the mainstream area, as the diffusion angle of forebay decreased, while the area of low flow velocity on both sides also decreased significantly. At the same time, there was an increasing trend in the width of the central mainstream area, whereas, a downward trend was found in the flow velocity in the mainstream area. The ability of current to carry sediment increased to promote the performance of the flow diffusion entering the forebay. Once the diffusion angle was between 25°and 30°, the flow entering the pool was well developed to diffuse sufficiently along the pipeline, indicating the better flow pattern with the much more stable structure of flow field . The sediment deposition was effectively reduced in the forebay of the diversion pumping station on the sandy river. As such, the operating efficiency of pumping units was improved to guarantee the realistic benefit of irrigation project. The research findings can also provide the strong reference to design and update the large-scale pumping stations.

pumping station; numerical simulation; forward intake forebay; diffusion angle; flow field structure; sediment deposition

10.11975/j.issn.1002-6819.202208112

TV675

A

1002-6819(2023)-01-0092-08

樊新建，董春海，王之君，等. 泵站正向进水前池扩散角对池内流场结构的影响[J]. 农业工程学报，2023，39(1)：92-99.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202208112 http://www.tcsae.org

FAN Xinjian, DONG Chunhai, WANG Zhijun, et al. Influence of diffusion angle on flow field structure in forward intake forebay of pumping station[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 92-99. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202208112 http://www.tcsae.org

2022-08-15

2022-11-23

国家自然科学基金（42167043）；
甘肃省自然科学基金（21JR7RA238）；
甘肃省水利科学试验研究及技术推广项目（甘水建管发[2020]46号第70）

樊新建，博士，副教授，研究方向为水力学及河流动力学。Emaill：fanxj008@163.com

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