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摘 要：
为探索泵站进水结构设计参数对进水结构流场特性的影响，选取甘肃省景电灌区某典型泵站进水结构为研究对象，利用超声波多普勒流速仪获取前池流速，同时引入逆向工程技术，构建淤积条件下进水结构(以下称原位进水结构)三维几何模型，基于Realizable k-ε湍流模型及Mixture多相流模型，采用FLUENT软件对原位前池进行多相流数值模拟，对比分析数值模拟结果与现场测流结果，验证了数值模型的可靠性。基于此，开展了基于正交试验的非淤积情况下不同进水结构(以下简称原型进水结构)流场数值模拟，并以泵站进水结构水头损失Hf和泵站进水结构多断面均值流速分布均匀度MV¯¯¯V¯u,s作为评价指标，定量评价和分析扩散角、总宽度、底部纵坡、悬空高度、淹没深度、后壁距等设计参数对泵站进水结构流场特性的影响。结果表明：扩散角对流场特性有显著影响，总宽度和底部纵坡对流场特性有较大影响；与原型泵站进水结构内流场相比，扩散角的减小可以明显提高主流范围且进水结构内流场分布及泵站机组进水条件明显优于原型泵站进水结构；随着总宽度和底部纵坡的减小，进水结构内流场水头损失也逐渐减小。研究结果能够为同类泵站结构优化设计提供参考。
关键词：
泵站进水结构;参数设计;水流特性;正交设计;Mixture多相流模型;数值模拟;
作者简介：
徐存东(1972—),男，教授，博士，主要从事水工结构优化设计及耐久性研究。
*许续(1996—),男，硕士研究生，主要从事水工结构方面的研究。
基金：
国家自然科学基金资助项目(51579102);
河南省高校科技创新团队支持计划(19IRTSTHN030);
中原科技创新领军人才支持计划(204200510048);
河南省科技攻关项目(212102310273);
河南省高等学校重点科研项目计划(20A570006);
浙江省重点研发计划(2021C03019);
引用：
徐存东, 许续, 王荣荣, 等. 基于正交试验的泵站进水结构设计参数优化研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(8): 130- 139.
XU Cundong, XU Xu, WANG Rongrong, et al. Research on optimization of design parameters of pumping station inlet structure based on orthogonal test[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(8): 130- 139.
0 引 言
泵站是灌区的重要组成部分，泵站进水结构水流流场特性会直接影响泵站的工作效率，泵站进水结构若设计不当，会在池中形成大范围回流并在进水口处产生漩涡，易将空气带入泵机，诱发泵机震动，影响机组使用寿命。对于含沙水流，结构设计参数也会影响进水结构的淤积形态、淤积位置和淤积规模，改变泵站各机组的进水条件、运行效率及运行维护成本，对泵站周边工农业生产平稳发展带来不利影响。因此，开展泵站进水结构设计参数优化的研究对于保障泵站平稳运行、降低泵站维护成本具有重要作用。
为改善泵站进水结构流场特性，国内外学者对进水结构优化设计方向开展了大量研究。窦元之等以某正向进水结构为例，采用水力模型试验分析了清水条件下不同扩散角方案对应的进水结构流态，并针对不同扩散角方案开展了不同含沙水流条件下的泥沙淤积试验，研究表明进水结构扩散角取25°或30°的两种方案，对应的水流流态及防淤效果表现较好。孙膑采用数值模拟结合模型试验，在原泵站设计方案基础上，分别研究了进水结构底坡坡度及翼墙尺寸对进水结构流态的影响，该研究在得出进水结构底坡的合理取值及翼墙改进的合理尺寸基础上验证了合理的底坡坡度、翼墙尺寸对改善进水结构流态的有效性。顼晓嫒等采用CFD计算方法对采用三种不同高宽比的十字消涡板的泵站进行泵站流场数值模拟以研究其整流效果，结果表明高宽比为6.15的方案与其他方案相比，吸水管周边涡量分布特征值明显减小，流速均匀度明显提高，整流效果更好。徐存东等基于ICEM-CFD软件对直边正向和曲边正向进水结构水流流态进行了模拟，分析了不同形状正向进水结构对泥沙淤积和进水结构流场的影响，提出了采用压水板优化流场和防淤的方案，并分析了在进水结构中安置压水板对流场特性的改善作用。陆林广等以流速分布均匀度和速度加权平均角作为评价指标，研究了悬空高、进水池宽度及后壁距等参数对进水池流态的影响，并提出了适用于正向进水结构的各设计参数合理取值范围。CONSTANTINESCU等研究了进水池内附底涡及后壁涡的结构和强度在改变悬空高、后壁距条件下的表现，研究表明当悬空高为0.75 D(D为吸水喇叭口直径),后壁距为0.4 D时进水池内流态相对优良，当两结构参数分别低于该值时，附底涡和后壁涡的强度随悬空高和后壁距的减小呈增大趋势。MATYAKUBOV等研究了在多边形断面进水结构设计条件下泵站水力特性的改善情况，多边形断面在泵站进水结构扩散角为35°的前提下，改变各方向的底部纵坡，研究表明在极端工况下，多边形断面进水结构相较于标准进水结构，流量增加了4.9%～6.3%。ERGASHEV等以吉扎克泵站为研究对象，通过建立基于流体力学的数学模型及等比例实验模型模拟的方法，在取水口供水装置中加入导向元件，优化了进水结构水流流态，增加了泵站进水口水流扩散均匀度，提高了泵站运行效率。NASR等采用SolidWorks软件进行3 D模型创建并利用CFX-ANSYS对多机组运行时的侧向进水泵站进水结构进行数值模拟，以进水结构内有无整流措施及整流措施类型为变量对比分析了各方案下的数值模拟结果，研究表明，当抛物面墙及部分整流墩设置明显时，可以明显改善侧向进水泵站进水结构流态，流速分布均匀度上升8%,涡流面积降低70%。
根据已有研究分析可知，泵站进水结构内部流场特性一直是国内外相关领域学者研究的重点，但受研究方法和手段的限制，现有研究在对泵站进水结构设计参数方面，多采用单一参数变量，对泵站进水结构设计参数的研究存在片面性，难以在整体角度对进水结构水沙流场特性进行改善。基于此，本研究以甘肃省景电灌区某典型泵站进水结构为研究对象，以实地测量和数值模拟作为研究方法，引入逆向工程。分析进水结构内实际流场特性并获取原位几何模型，为采用数值模拟方法开展泵站进水结构设计参数对流场特性的影响研究提供良好的基础。
1 现场调查1.1 典型泵站进水结构概况
依据现场勘测成果，选取灌区内淤积状态具有代表性的某泵站进水结构作为典型研究对象。典型泵站进水结构设计流量6.0 m3/s, 设计水位1 604.45 m, 共布置有机组8台，2端机组为备用机组，5#机组设计流量为1.6 m3/s, 吸水管直径1 000 mm, 其余机组设计流量0.88 m3/s, 吸水管直径800 mm。进水结构扩散角为54.44°,总宽度为21.70 m, 底部纵坡为1∶2.1,悬空高度为1.52 m, 淹没深度为1.86 m, 后壁距为0.50 m, 典型泵站进水结构如图1所示。
图1 典型泵站进水结构示意(单位：m)
1.2 灌区引水含沙特性分析
通过实地调查发现，灌区引水年均含沙量约为30.0 kg/m3,汛期最大含沙量达382 kg/m3。采用现场取样和室内颗粒粒径筛分试验获取了水源含沙颗粒粒径分布情况，如表1所列。可见，灌区泵站水源含沙颗粒粒径有92.3%在0.075 mm以下，中值粒径d50=0.025 mm, 属极细颗粒沙土。
1.3 原位进水结构点云数据采集
为采集泵站原位进水结构点云数据，本研究选用Leica Scan Station P30三维激光扫描仪对泵站进水结构进行多测站扫描。利用Cyclone软件对获取的原始点云数据在保证进水结构信息完整的前提下进行裁剪处理以提高后续数据处理效率。经配准后的原位进水结构点云数据如图2所示。
图2 原位进水结构点云数据示意
1.4 原位进水结构现场测流
本研究选用HXH03-1S型超声波多普勒流速流向仪在泵站处于设计工况下运行时进行泵站原位进水结构现场测流。现场流速测量点布置放在距后壁2.0 m、水深1.0 m的位置，现场测流点位布设情况如图3所示，共计布设15个测流点位，测点间隔为2 m。
图3 现场测流点位布设示意
现场观测进水结构水流流态发现，泵站进水结构内表层水流在进水结构两侧存在大范围回流现象，且水流在进水结构中轴线一带存在明显偏移情况，现场测流情况如图4所示。
图4 现场测流
2 数值模型构建与验证基于计算流体力学(CFD)理论，针对典型泵站进水结构建立三维数值模型，选用FLUENT软件中的Realizable k-ε湍流模型耦合Mixture多相流模型进行数值模拟，采用二阶迎风格式的隐式求解以确保计算精度,并利用基于压力修正法的SIMPLE算法对流场进行耦合。迭代残差精度设为10-3。
2.1 数学模型
本研究选用Mixture模型对泵站进水结构固-液两相流进行模拟,将水沙两相流视为不可压缩流体，则Mixture模型控制方程为
式中，ρm为水沙混合流密度(kg/m3);V⇀m为水沙混合流平均流速(m/s);μm为混合流黏滞性系数[kg/(m·s)];g为重力加速度(m/s2);F⇀为体积力(N/m3);αk为第k相的体积分数；ρk为第k相的密度(kg/m3);V⇀dr,k为次相第k相的漂移速度(m/s);P为静水压力(MPa);V⇀k为次相第k相的流速(m/s)。
2.2 边界条件和计算初始条件
泵站进水结构尺寸和流量已知，故进口边界条件采用速度边界条件，进口速度为0.911 m/s; 出口水流视为全发展流动，设边界条件为outflow; 固壁边界条件选用无滑移条件，并利用标准壁面函数处理边壁边界；进水结构自由表面无大范围波动，故采用symmetry边界条件。将水沙两项流体设为计算介质，水为主相，ρ=998.2 kg/m3,沙为次相，ρ=2 740 kg/m3。经分析，灌区引水含沙属极细颗粒沙土，将泥沙相视为单一粒径的均匀沙进行模拟。
2.3 原位进水结构几何模型重构与网格划分
利用Geomagic软件对经处理的原位泵站进水结构点云数据进行逆向三维模型重构，并在正向建模软件ICEM中对泵站进水结构进行几何模型完善与网格划分，网格划分共设计六组方案，各组方案单元数分别为904 433、1 195 560、1 488 721、1 855 558、2 286 622、2 690 943,泵站原位进水结构网格划分情况如图5所示。利用泵站进水结构入口至进水池入口范围的水头损失进行数值模拟结果分析并绘制关系曲线(见图6),该曲线可以准确直观地表明各网格划分方案之间水力损失的关系。由图6可知，方案Ⅴ相较方案Ⅵ水力损失无明显变化，在综合考虑计算精度和计算效率后认为方案Ⅴ满足网格无关性。
图5 泵站原位进水结构网格划分示意
图6 网格划分方案与水力损失关系曲线
2.4 原位进水结构水沙流场特性模拟分析
利用FLUENT软件将ICEM软件生成的网格文件进行数值模拟，经数值模拟得出的泵站原位进水结构不同水深流速矢量分布情况如图7所示。
图7 原位进水结构不同水深流速矢量分布
由图7(a)可知，泵站原位进水结构受泥沙淤积及机组不对称的影响，主流整体向右侧偏移，且在两侧形成大范围非对称回流区，对主流存在挤压作用。进水结构末端主流受旋涡影响流速提高并向两侧扩散。由图7(b)、(c)可知，泵站原位进水结构在中层水深处两侧泥沙淤积现象严重，过水通道变窄，主流流速相对提高且主流可延伸至进水池段，但整体仍存在向右偏移现象，回流区范围逐渐缩小，对主流的挤压作用也逐渐减弱。由图7(d)可知，进水结构底部空间无水流通过，已被泥沙完全淤积。模拟结果和现场实际调查情况整体吻合，定性验证了数值模型的可靠性。
2.5 模型定量验证
为定量验证数值模拟的准确性，将现场实测的流速值与模拟结果中对应点位的流速值进行比较，对比结果如图8所示。利用平均绝对误差法(MAE)和均方根误差法(RMSE)对两组数据进行误差分析，误差分析结果分别为0.183和0.029,结果均较小且接近于0,满足精度要求，进一步定量验证了该数值模型在本研究中的可靠性。
图8 现场实测流速与数值模拟结果流速对比
3 不同设计参数组合下的原型进水结构流场特性模拟分析3.1 正交试验方案制定
通过实地调研及理论分析，选定泵站进水结构中的扩散角θ、总宽度B、底部纵坡i、悬空高度C、淹没深度hs、后壁距T等6个因素作为关键参数。依据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)对进水结构各关键参数进行复核，同时明确各个参数的取值范围。关键参数初始值和取值范围如表2所列。
本次研究选用正交试验法，依据“整齐”和“均匀”的原则选出部分代表性强的点开展试验,在确保数值模拟的均衡性和准确性的同时降低试验时间成本。对每个关键参数给定5个取值水平，构成泵站进水结构数值模拟试验因素水平表，如表3所列。故数值模拟试验为6因素5水平，忽略参数之间的影响及其他未知因素的影响。选择L25(56)正交表进行试验安排，共设计25次数值模拟试验，正交试验方案如表4所列。
3.2 确定评价指标
为综合反映泵站进水结构流场特性，本研究构建了泵站进水结构流场特性评价指标体系，包含以下2个评价指标。
(1)泵站进水结构水头损失Hf:水头损失是指水流在流经两个断面的过程中，克服沿程阻力和局部阻力所造成的能量损失。本研究采用泵站进水结构计算域进口断面至进水池段入口断面的水头损失为一项评价指标，记为Hf,Hf越小说明泵站进水结构流场特性越优良。
(2)泵站进水结构多断面均值流速分布均匀度MV¯u,s:泵站原位进水结构和泵站原型进水结构内均存在大范围回流区，且回流区主要分布于结构中后部分。为充分反映泵站进水结构流场特性，本研究采用泵站进水结构进水池入口断面、进水方向1/2位置断面以及3/4位置断面的流速分布均匀度平均值作为一项评价指标，记为MV¯u,s,MV¯u,s值越大流场特性越优良，其表达式为
式中，MV¯u,s为泵站进水结构多断面均值流速分布均匀度；V¯u,sump 为泵站进水结构进水池入口断面流速分布均匀度；V¯u,1/2为泵站进水结构进水方向1/2位置断面流速分布均匀度；V¯u,3/4为泵站进水结构进水方向3/4位置断面流速分布均匀度。
3.3 数值模拟结果分析
选取泵站进水结构1.5 m水深处断面为研究断面，在模拟结果中选取具有代表性的8组方案进行分析，其研究断面流速矢量图如图9所示，各数值模拟方案的评价指标值如图10所示。
图9 部分研究断面流速正交设计方案矢量
图10 评价指标值
由图9、图10分析可知，泵站进水结构设计参数对正交设计各方案模拟结果影响较大。在原位进水结构Case1中，进水结构内流场较紊乱且分布不对称，水体整体流速较小。两侧存在大范围回流区且延伸至进水结构末端，旋涡对主流存在一定挤压作用，迫使主流在进水池处向两侧扩散，导致除中间机组外其他机组前的水流方向与吸水管方向均有一定夹角。评价指标值Hf=83.26 mm, MV¯u,s=-33.81%。
通过分析方案Case4、Case5和Case10可知，三种方案的流场分布在进水结构中均呈现出明显的主流效应且在进水结构末端仍存在两侧的大范围回流区，主流在进水池末端均有迅速向两侧扩散的表现。Case4回流区对主流扰动较小，流速较高，但主流在进入进水结构时存在水流脱壁现象。Case5由于回流区过大，严重挤压主流，导致主流存在收缩现象，降低了进水结构内水流整体流速。Case10的回流直至进水结构前端，对进站的水流存在一定的挤压作用。与Case1相比，三组方案流场整体均较原位进水结构流场对称。在评价指标值的表现上，对于Hf,Case4<Case1<Case10<Case5;对于MV¯u,s,Case4>Case10>Case1>Case5。
相比于Case1,Case16与Case21同样存在明显主流效应，但流场分布极不对称，主流方向明显向左侧偏移，可能是由非对称布置的泵站机组导致。结构右侧存在大范围回流区，导致右侧流速明显缓于左侧，各个机组进水口前水流方向与进水口均存在夹角。Case16相比于Case21,回流区较为靠前，对进水流向影响较小，但在前池1/5处水流存在脱壁现象。在评价指标值的表现上，对于Hf,Case21<Case16<Case1;对于MV¯u,s,Case21>Case16>Case1。结合对单个关键参数的分析发现，缩小扩散角或底部纵坡均可减少流场水头损失并提高流速分布均匀度。
Case22与Case25进水结构流场分布最为均匀，主流不存在明显偏移且范围显著提高，进水结构末端两侧出现范围较小回流区，进水结构流场分布和进水口进水条件明显优于其余组别，其因素可能是两组的扩散角较小。Case22相较于Case25,在左侧存在一定的脱壁现象，但回流现象几乎可忽略不计。在评价指标值的表现上，对于Hf,Case25<Case22<Case1,表明缩小扩散角、总宽度或底部纵坡均对Hf的降低有正向影响；对于MV¯u,s,Case22>Case25>Case1,表明淹没深度、悬空高度和后壁距的提高及扩散角的降低均对MV¯u,s的增大有正面影响。且Case22的MV¯u,s=24.37,Case25的Hf=48.1 mm, 分别达到单评价指标最优。
综合以上分析，对于原型泵站流场特性，在设计工况下，进水结构内部流场紊乱且分布不对称并伴随大范围回流区。随着扩散角的减小，主流效应逐渐加强，回流区逐渐缩小，进水结构内部流场分布明显改善；随着总宽度和底部纵坡逐渐减小，进水结构水头损失逐渐降低，流场整体流速逐渐提高。但由于正交设计本身离散性大的约束，无法确定全局状态下流场最优的参数组合。综合比较25组方案，Case25在加强主流效应、缩小回流区、减少水头损失、提高流速分布均匀度等问题上均存在明显优势，这一结果对泵站进水结构的参数设计具有一定借鉴意义。
4 结 论(1)本研究结合现场实测及逆向工程等技术获取了泵站原位进水结构的三维几何模型；并对进水结构模型进行了水沙流场特性数值模拟，通过平均绝对误差法(MAE)和均方根误差法(RMSE)对数值模拟结果与现场测流数据进行定量对比，验证了数值模型的可靠性，确保了数值模型对泵站进水结构流场模拟的准确性。
(2)分析不同参数组合下的流场特性可知，扩散角对进水结构内的流场特性有显著影响，随着扩散角逐渐减小，流场结构明显改善，主流扩散效果增加，回流区范围缩小，Hf整体上逐渐降低，MV¯¯¯V¯u,s整体上逐渐升高；总宽度和底部纵坡对进水结构内流场有较大影响，参数越小，进水结构内部水头损失越小；在扩散角较小的情况下，淹没深度、悬空高度和后壁距等参数数值的增大对流速分布均匀度的提高有积极作用。
(3)综合25组正交试验方案模拟结果分析表明，Case25方案下泵站进水结构内流场最优，即在扩散角为20.00°,总宽度为25.4 m, 底部纵坡为1∶6.2,悬空高为1.52 m, 淹没深度为1.40 m, 后壁距为0.50 m时，流场最优。但在进水结构设计参数对流场的优化效果上，主流扩散效应强，评价指标值表现较好的几组方案模拟结果仍存在进水口前水流方向与进水口方向不一致，有一定回流区等问题。其可能是由于正交设计中参数离散性大、试验次数不足。因此，可进一步开展在参数区间内对泵站进水结构流场特性多参数多目标优化问题进行全局连续寻优的研究。
(4)本研究基于已有泵站结构上对关键参数进行优化，因此，关键参数初始值在客观上较大的影响了优化结果，可在正交试验的基础上运用多目标算法进行优化，寻找更合理的泵站进水结构改造设计方案。
水利水电技术（中英文）
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