斜向管涵进流城市雨水泵站箱涵流态分析及整流措施研究

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1、水利学报2018年5月SHUILIXUEBAO第49卷第5期文章编号：0559-9350（2018）05-0598-10斜向管涵进流城市雨水泵站箱涵流态分析及整流措施研究张睿，徐辉，陈毓陵，冯建刚，周春天，王晓升（河海大学水利水电学院，江苏南京210098）摘要：为了研究斜向管涵进流对城市雨水泵站水力流态特性的影响，探寻改善不良流态的有效整流措施，基于计算流体动力学（CFD）方法，开展斜向管涵进流城市雨水泵站箱涵流态分析及整流措施研究。针对不良进水流态，通过在闸门井内设计布置了3种不同的整流措施，分析比较各整流措施对箱涵进水流态及其配水均匀性的改善效果，优选出最佳方案并进行物

2、理模型试验验证。研究表明：斜向管涵进流容易造成箱涵各孔流量分配不均且存在偏流、回流、旋涡等不良流态，从而恶化前池进水流态和影响泵站安全运行；采用“分流墩、组合梁以及相背布置短导流墩”的组合式整流措施可以显著改善闸门井、箱涵以及前池进口处的不良流态，有效提高箱涵各孔的流量分配的均匀程度，其中箱涵各孔流量分配不平衡度降至±0.03之间、箱涵总流量分配均匀度提高为0.905。本文的研究成果可为同类型城市雨水泵站设计提供有益的参考。关键词：城市雨水泵站；箱涵；流态；流量分配；整流措施；数值模拟中图分类号：TU992；TV675文献标识码：Adoi：10.13243/j.cnki.sl

3、xb.201707621研究背景雨水泵站主要用于排除城市低洼地带以及雨水管道系统中的积水，对于防止城市内涝灾害发挥着关键作用。由于受到城市规划、地形以及管网布置等条件限制，城市雨水泵站占地面积偏小且其进水建筑物结构较为紧凑，往往难以按照泵站设计规范中水力条件良好的要求进行布置，由此容易［1］造成泵站进水建筑物内产生旋涡、回流、偏流等不良流态，严重影响泵站的安全稳定运行。因此，改善城市雨水泵站进水建筑物内的不良流态，对于保障其运行的安全可靠性具有重要意义。泵站进水流态改善的研究方法主要包括物理模型试验和数值模拟计算，其中，与物理模型试验相比，数值模拟计算的成本低、周期短，并且可

4、以获得更为丰富的流场信息，特别是近年来随着计算机技术的飞速发展和计算流体动力学（CFD）方法的不断完善，CFD数值模拟被越来越多的学者所认［2-5］［6］可，成为泵站工程水力流动特性分析及整流措施研究的重要手段。高传昌等针对田山一级泵站前池和进水池拟选的不同整流方案进行了数值模拟研究，比选出了适合于该泵站前池与进水池的整［7］流措施；刘梅清等对某泵站前池进行了湍流模型适用性分析，采用Realizablek-ε模型开展了导流墩［8］消涡最佳布置方案的数值模拟研究；成立等对加Y形导流墩的正向进水泵站前池流态进行数值模［9-10］拟，分析了Y形导流墩几何参数对前池流态改善的影响；资

5、丹等采用CFD技术与现场测试相结合的手段，开展了大型泵站进水流场组合式导流墩整流优化研究，分析了组合式导流墩在大型泵站进［11］水流场改善流态的作用和效果；周济人等应用CFX软件分析了侧向进水泵站的前池流态，并分别对Y型导流墩、底坎及导流墙等措施的整流特点进行了数值研究。目前关于泵站进水流态的改善主要集中于前池、进水池内的整流措施研究，而对于城市雨水泵收稿日期：2017-08-03；网络出版日期：2018-05-22网络出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20180522.1745.004.html基金项目：江苏省自

6、然科学基金青年基金项目（BK20150808）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2014B12314）；江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介：张睿（1984-），男，山东济宁人，博士，讲师，主要从事泵站工程水力学研究。E-mail：gulie1984@163.com—598—站，因受管线布置约束需要采用斜向管涵进流形式，容易导致箱涵内流态不良且各孔流量分配不均。由于城市雨水泵站前池、进水池的结构尺寸偏紧，整流措施布置空间有限，再加之不良进水条件会显著增大前池、进水池内流态改善的难度，将不利于泵站高效稳定运行。因此，本文以某典型斜向管涵进流城市雨水泵站为例，采用CF

7、D方法深入开展箱涵水力流态特性分析，研究存在的不良流态，提出并分析优化整流方案，再通过物理模型试验加以验证。2计算模型与数值方法2.1几何模型和计算区域图1所示的是本文所研究的斜向管涵进流城市雨水泵站平面和立面布置示意图，该泵站的进水系统主要包括：进水总管、闸门井、箱涵、前池、进水池以及水泵机组。进水总管与泵站箱涵的中心线夹角为20°，箱涵采用4孔进流且正对泵站前池；泵站水泵机组采用的是##36台大小搭配的潜水轴流泵，其中位于中间位置的3、4泵的设计流量为2.04m/s，剩余4台泵的设计33流量为4.0