低揚程大型泵站裝置特性研究.pdf

1、本文研究以南水北調(diào)東線工程、城市防洪重點工程建設(shè)和大型泵站更新技術(shù)改造為背景。以低揚程大型泵站為研究對象，運用三維湍流數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了泵站工程過流構(gòu)筑物中新型進(jìn)水流道、出水流道內(nèi)流場特性及水力特性，對比測試分析了常見流道的水力特性，提出了泵站新型進(jìn)、出水流道型線參數(shù)確定的原則和方法。從理論上推演分析建立了泵裝置動力特性預(yù)測數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)地研究了泵裝置起動、停泵過渡過程，建立了完整的起動動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，提出了

2、停泵動態(tài)特性計算方法。 1.基于三維紊流數(shù)值模擬，以大型計算流體力學(xué)軟件Fluent為平臺，采用時均N-S方程(RANS)和K-湍流模型，運用SIMPLEC算法，數(shù)值模擬了鐘形、豎井貫流和簸箕形進(jìn)水流道的內(nèi)流場。以流道出口速度均勻度、速度加權(quán)平均角、水力損失大小為評價目標(biāo)函數(shù)，研究了鐘形進(jìn)水流道不同喇叭口懸空高度的內(nèi)流場特征和水力損失特性，提出了喇叭口懸空高度的合理取值范圍。構(gòu)建了鐘形進(jìn)水流道模型試驗裝置系統(tǒng)，利用五孔探針測試了

3、不同喇叭口懸空高度時流道出口斷面的流速分布，并與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了比較分析，得出了帶泵的流道出口速度分布規(guī)律。數(shù)值計算揭示了豎井貫流、簸箕進(jìn)水流道內(nèi)流場特征、特征斷面的流速及水力損失規(guī)律，并對豎井貫流泵裝置特性、簸箕形進(jìn)水流道水力特性進(jìn)行了試驗研究，提出了豎井貫流、簸箕形進(jìn)水流道的優(yōu)化特征型線及控制尺寸。 2.運用三維湍流數(shù)值模擬的方法，對近年來應(yīng)用于特低揚程大型泵站中的一種新型出水流道一箱涵式出水流道內(nèi)流場特征及水力特性進(jìn)行分

4、析研究。研究中，針對喇叭出口設(shè)導(dǎo)水錐和不設(shè)導(dǎo)水錐，分別設(shè)計了不同喇叭口懸空高度、不同喇叭管型線、不同后壁距、不同后壁型線以及無擴(kuò)散喇叭管等方案，數(shù)值模擬各方案流道內(nèi)流場，預(yù)測旋渦發(fā)生位置和形態(tài)，得出了流道縱向剖面、喇叭口及出水柱狀面上速度分布規(guī)律，預(yù)測并分析流道水力損失規(guī)律。構(gòu)建模型試驗裝置系統(tǒng)，制作物理模型，對各數(shù)值計算方案進(jìn)行系列試驗研究，測得各方案流道的水力損失，觀測了流道內(nèi)水流流態(tài)，研究得出了流道水力損失隨流道幾何特征參數(shù)變化規(guī)

5、律。根據(jù)數(shù)值計算和試驗研究的結(jié)果，提出了新型箱涵式出水流道優(yōu)化設(shè)計方法。對常見的虹吸式、直管式和鐘形出水流道，設(shè)計并制作物理模型，測試并比較其水力損失。 3.從流體力學(xué)基本原理出發(fā)，運用相似理論中的方程分析法，系統(tǒng)地分析泵裝置動力特性、汽蝕特性、飛逸特性的相似模擬方法，闡述了相似準(zhǔn)則之間的關(guān)系、參數(shù)換算比尺。從理論上分析和表達(dá)了水泵機(jī)械效率、水力效率、容積效率、水泵效率及泵裝置效率。根據(jù)模型泵(或泵裝置)試驗數(shù)據(jù)，利用最小二乘法

6、擬合及牛頓迭代法計算泵效率(或泵裝置效率)表達(dá)式中擬合系數(shù)，將模型水泵各工況點效率分解為水力效率、容積效率和機(jī)械效率，實現(xiàn)了各部分效率按各自公式換算，提出了水力效率、容積效率、機(jī)械效率、管道效率、泵及泵裝置效率換算的新方法，建立了低揚程大型泵站動力特性預(yù)測數(shù)學(xué)模型。 4.在分析低揚程泵裝置機(jī)組暫態(tài)電氣特性、動力特性和管道中空氣動力學(xué)特性基礎(chǔ)上，結(jié)合水泵相似率，從理論上系統(tǒng)地研究了拍門斷流直管式出流泵裝置起動動態(tài)特性、虹吸式出水流

7、道泵裝置起動動態(tài)特性以及快速閘門斷流直管式出流泵裝置起動動態(tài)特性，并分別建立了相應(yīng)的起動過渡過程數(shù)學(xué)模型。 5.基于剛性水錘理論，分析和表達(dá)了低揚程大型泵裝置水力特性和機(jī)組動力學(xué)特性，并運用最小二乘曲面擬合方法仿真模擬了水泵全性能曲線。為合理地在停泵動態(tài)特性計算中引入全特性曲線穩(wěn)態(tài)參數(shù)，研究中，提出將水泵瞬態(tài)揚程分解為穩(wěn)態(tài)揚程和慣性水頭揚程，與之相應(yīng)水阻力力矩、推力軸承摩擦力矩也分解為穩(wěn)態(tài)力矩和慣性水頭引起附加力矩，方程中穩(wěn)態(tài)參