泵站进水池流态优化设计对水泵效率的影响研究

一、引言

泵站作为水利工程、城市供水及工业输水系统的核心设施，其运行效率直接关系到能源消耗与系统稳定性。进水池作为水泵的“前端”构筑物，承担着将水流平稳引入水泵吸水口的重要功能。理想状态下，进水池内应形成均匀、轴对称的缓变流，确保水流以最小能量损失进入水泵叶轮。然而，实际工程中由于设计不合理或工况变化，进水池内常出现漩涡、回流、流速分布畸变等不良流态，导致水泵吸入条件恶化，引发振动、噪音、气蚀等问题，严重时可使水泵效率下降 10% 以上。近年来，随着节能理念的深化与CFD（计算流体动力学）技术的发展，进水池流态优化成为泵站设计领域的研究热点。本文聚焦进水池流态与水泵效率的关联机制，通过解析不良流态的成因及影响，提出针对性的优化设计策略，旨在为提升泵站整体运行效能提供技术支撑。

二、进水池不良流态的成因及对水泵效率的影响

（一）常见不良流态类型及成因

漩涡流漩涡是进水池最常见的不良流态，按形态可分为表面漩涡、底部漩涡和立轴漩涡。表面漩涡多因水位过低、池宽与泵轴间距不匹配引发，常卷入空气形成气液两相流；底部漩涡则与池底坡度、吸水口埋深相关，易导致泥沙淤积与局部压力骤降。漩涡的本质是水流角动量失衡，其形成与进水池几何尺寸（如池长、池宽、水深）及进水方式（如单侧进水、两侧进水）密切相关。回流与死水区当进水池体型设计不合理时，水流在池内形成局部回流区，部分水体脱离主流循环形成死水区。回流不仅造成能量损耗，还会扰乱主流方向，使进入水泵的水流产生预旋，破坏叶轮受力平衡。流速分布不均进水池内流速分布畸变主要表现为沿程流速梯度过大或径向流速不对称。其成因包括进水管道与水池衔接突兀、池内障碍物干扰、多台水泵并列运行时的相互干扰等。流速不均会导致水泵叶轮进水条件差异，增加水力损失与机械振动[1]。

（二）对水泵效率的影响机制

能量损失增加不良流态会引发额外的水力损失，包括漩涡导致的局部水头损失、回流造成的动能消耗等。据试验数据，当进水池内出现强度为 1.5 级的立轴漩涡时，水泵进口处的能量损失可达 5%-8% ，直接导致效率下降。气蚀与磨损加剧漩涡中心的低压区易产生气蚀，气泡溃灭时的冲击力会侵蚀叶轮表面，导致水泵过流部件损坏，流量与扬程下降。

三、进水池流态优化设计策略

（一）几何结构参数优化

进水池长、宽、深的池体尺寸，应当与水泵参数（如流量、吸水口直径）相适配妥帖，以单台离心泵为对象，适宜的进水池有效长度为水泵吸水口直径的5-7 倍，池的宽度宜设定在水泵吸水口直径的3-4 倍，水深不得少于吸水口直径的 1.5 倍规格，保证水流充分扩散且流速均衡。就某 500HW型水泵而言，优化后的进水池，长为 3.5m ，宽 1.8m ，水深 0.8m ，与原设计对照，回流区面积降低 40% ，池底跟池壁设计采用了坡度为 1 起始的流线型池底（坡度 1：5-1：抑制底部漩涡生成，于池壁转角处，设置半径介于 0.5 至1.0m的圆角，杜绝因直角而产生的水流分离现象，就大型泵站而言，能把进水池设计成钟形与喇叭形二者之一，依靠扩散段的导流效能，令流速梯度降低 20%-30%²l². 。

（二）导流设施布置

于进水池进口段设置呈对称分布的导流墩，把集中的进水状况转化为均匀的分流情形，减小横向流速强度；就多台水泵并行排列的进水池而言，在机组间隔处增设导流墙，高度为池深1/2 到 2/3，阻隔相邻水泵流场间的相互干扰，实现各泵进口流速偏差控制为 5% 以内。设置整流格栅（孔隙率 60%-70% ）作为整流格栅与消涡装置，位置在水泵吸水口前方 1.0-1.5 倍直径处，凭借局部阻力调整流速的分布格局；就漩涡问题而言，可采用安装消涡板或导流锥的方式，消涡板宜水平安置于水面下0.3 倍水深处，导流锥的锥角选定为 60^∘ 至 90^∘ 这个区间，能切实击碎表面及立轴漩涡。当进行吸水喇叭口设计，水泵吸水喇叭口淹没深度（距池底高度）宜达到 0.8-1.2 倍喇叭口直径，从水面开始算的淹没水深要达到 1.0 倍直径及以上，防止空气被卷入吸水环节，喇叭口采用的设计为流线型，进口边缘采用圆角处理方式，减少局部水头损失的数值。

（三）水力参数与工况匹配

进水流速掌握，进水池进口流速适宜做到控制在 0.8 至 1.2m/s 规模，池内平均水流速度为 0.3-0.5m/s ，借助具备 10^∘-15^∘ 扩散角的渐变段让流速平稳过渡，避免因流速的急剧转变引发紊流，结合泵站运行工况实施水位动态调节，采用可调整溢流堰或水位管控系统，保证进水池水位波动范围控制在 0.5m以内，处于低水位的工况运行阶段，可凭借临时添设挡板或者充气装置抑制漩涡形成[3]。

四、优化设计的验证方法与案例分析

（一）验证方法

模型试验采用 1：10-1：与20 相关的物理模型，采用粒子图像测速（PIV）技术捕捉流场的分布状况，勘查不同设计方案下流速均匀性、漩涡强度以及水头损失的情形，模型试验可直观反映出流态特性，然而其成本不低，数值模拟借助CFD软件（像Fluent、Flow - 3D这类）搭建三维流场模型，利用RNG k - ε湍流模型去模拟紊流的运动状态，采用网格无关性验证达成计算精度要求，数值模拟能迅速对多方案的流态差异展开对比，跟模型试验比起来，计算效率提高了5 到 10 倍。

（二）工程案例

某城市供水泵站初始的进水池因设计缺陷所致，出现了明显突出的表面漩涡与回流范围，造成 3 台 12Sh - 13 型离心泵效率仅维持在 72%-75% ，设计效率本为 80% ，依托优化改造举措，添加 2 组呈对称形式的导流墩，长 1.2m ，宽度为 0.3m的规格，去除进口段横向流动速度；在吸水口上方 0.5m 的地方安装直径 1.0m 的漩涡破碎板，消除表面漩涡；把池底坡度调整成 1：8，增大有效过流面积规模，改造过后CFD模拟呈现出，池内流速均匀程度实现 40% 的提升，漩涡强度出现了 65% 的降幅；实际测试证明，水泵效率提至 78%-81% 这一区间，每单泵平均每天可节电约 120 千瓦时，约 1.5 年投资即可实现回收。

结论

进水池流态优化设计是提升水泵效率的关键环节，通过几何结构匹配、导流设施优化及水力参数调控，可有效消除不良流态，减少能量损失，实现水泵效率提升 3%-8% 。工程实践表明，流态优化的投入产出比高，是泵站节能改造的优选方案。未来研究可建立流态-效率关联的动态预测模型，为泵站变工况运行提供精准调控依据。通过多学科技术融合，进一步推动泵站设计向高效化、智能化发展。

参考文献

[1] 白羽. 轴流泵站蜗壳形进水池的优化设计及研究[J]. 中国水能及电气化，2024，（05）：48-52+70.DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2024.05.10.

[2]刘贤伟. PKPM水池设计软件在排涝泵站整体结构设计中的应用[J].水利科技，2023，（04）：36-39.

[3] 李 玲 玉 . 泵 站 进 水 池 数 值 模 拟 优 化 设 计 [J]. 中 国 水 运 （ 下 半月），2021，21（12）：115-116+155.