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水 利 学 报
２０２４年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ２期
文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０２ － ０１６７ － １２
泵站正向进水结构流场特性多目标优化研究
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徐存东 １，２ ，胡小萌 ，王荣荣 ，王 鑫 ，田俊姣 ２
（１．浙江水利水电学院，浙江 杭州 ３１００１８；２．华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 ４５００４６；
３．河南大学 土木建筑学院，河南 开封 ４７５００４）
摘要：为提高引黄灌区水源含沙提水泵站进水结构流场稳定性，对泵站原型（泥沙淤积前）进水结构设计参数进行
耦合协同优化。选取甘肃省景电灌区典型正向进水泵站为研究对象，确定流场特性评价指标与进水结构设计参
数，基于仿真智 能 算 法 （ ＰＳＯ－ ＢＰＮＮ）和 多 岛 遗 传 算 法 （ＭＩＧＡ）构 建 ＰＳＯ－ ＢＰＮＮ－ ＭＩＧＡ耦 合 优 化 模 型， 通 过
Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ － ε 湍流模型耦合考虑相间滑移的 Ｍｉｘｔｕｒｅ多相流模型对最优方案进行模拟。由耦合优化模型得到的最
优设计方案（ ＯＰＴ）为：扩散角 θ ＝ ２６．３０° 、总宽度 Ｂ ＝ ２６．４６ｍ 、底部纵坡 ｉ ＝ １∶２．３ 、悬空高度 Ｃ ＝ １．０５ｍ 、淹没深度
ｈ＝ １．３８ｍ、后壁距 Ｔ ＝ ０．５７ｍ；ＯＰＴ方案评价指标预测值和计算值的偏差率均在 １０．００％以内；ＯＰＴ方案下泵站进
ｓ
水结构内未出现明显旋涡回流区，泥沙淤积强度和淤积范围明显减少、水流流速较小、流线较为均匀。优化模型
在泵站原型进水结构协调优化中较为可靠，可实现参数区间内的全局连续寻优，所得最优方案整体优化效果较
好。本文提出的研究思路与方法可为类似泵站工程设计参数耦合协同优化提供参考方法借鉴。
关键词：正向进水结构；流场特性；ＰＳＯ － ＢＰＮＮ算法；ＭＩＧＡ算法；多目标优化；数值模拟
中图分类号：ＴＶ６７５ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０５３９
文献标识码：Ａ
１ 研究背景
泵站是黄河中上游地区经济社会和农业生产发展中的重要组成部分，受恶劣环境条件限制，引黄
灌区泵站初始设计建造标准难以满足规范要求，导致其进水结构内出现脱壁、偏斜等不良流态。同时
受黄河水高含沙量影响，泵站进水结构内部泥沙淤积严重，改变了其原有水力条件，对泵站调蓄功
能、取水环境、机组性能等造成较大影响，严重时会堵塞水泵吸水口、危及整个泵站的安全运行 ［１ － ２］ 。
开展水源含沙提水泵站进水结构过流几何设计参数多目标优化研究，以期改善进水结构流场特性、减
轻泥沙淤积、保障良好取水环境，对提高水源含沙提水泵站进水结构流场稳定性、降低泵站运行投入
和保障泵站安全高效运行具有重要意义，对相似类型泵站工程更新改造具有指导意义。
近年来，有关学者和技术工程人员在泵站进水池、前池结构优化设计方面进行了一定的研究。其
中，Ｃｏｎｓｔａｎｔｉｎｅｓｃｕ等 ［３］ 开展了不同后壁距和悬空高度对进水池后壁涡、内附底涡强度及结构的影响研
究，得到了进水池流态最佳时的后壁距和悬空高值，并分析了其与后壁涡、内附底涡之间的变化规
律；Ｚａｒｒａｔｉ等 ［４］ 开展进水池表面涡流产生机理及穿孔板消涡效率研究，探明了穿孔板开口与涡流强度
的关系；成立等 ［５］ 基于单一变量原则，以水头损失和流速分布均匀度为目标函数，得到了合理的后壁
距和悬空高取值范围，且研究了不同值对进水池流态的影响；陆林广 ［６］ 通过研究后壁距、池宽等参数
对进水池流态的影响，并以水泵进口处速度加权平均角和流速分布均匀度为评价指标，对正向进水前
池各参数进行了最优设计；孙膑 ［７］ 结合模型试验和数值模拟，对高塘湖排涝泵站前池翼墙尺寸、底坡
收稿日期：２０２３ － ０９ － ０６
基金项目：中原科技创新领军人才支持计划项目（２０４２００５１００４８）；浙江省基础公益研究计划项目（ＬＺＪＷＤ２２Ｅ０９０００１）；浙江省重
点研发计划项目（ ２０２１Ｃ０３０１９）；宁夏回族自治区水利科技项目（ＧＫＧＫ － ＫＹ － ２０２３ － ００２）
作者简介：徐存东（ １９７２ － ），博士，教授，主要从事水工结构优化设计和耐久性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｃｕｎｄｏｎｇ＠１２６．ｃｏｍ
通信作者：胡小萌（２００１ － ），硕士生，主要从事水利工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：１０６２３４３９６１＠ｑｑ．ｃｏｍ
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