低揚(yáng)程泵裝置水動(dòng)力特性及多目標(biāo)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、低揚(yáng)程泵站是重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，在跨流域調(diào)水工程、農(nóng)田和區(qū)域抗旱、城市防洪排澇、城鎮(zhèn)供水、污水排放等方面均起著關(guān)鍵性作用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家對(duì)能源消耗的重視，人們對(duì)低揚(yáng)程泵裝置水動(dòng)力性能的要求也越來(lái)越高，為了滿足社會(huì)的需要同時(shí)推動(dòng)低揚(yáng)程泵裝置研究的進(jìn)一步發(fā)展，采用理論分析、數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)低揚(yáng)程泵裝置的水動(dòng)力特性和多目標(biāo)優(yōu)化相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容和取得的創(chuàng)造性成果有:
　　(1)歸納分析了低

2、揚(yáng)程泵裝置的分類及各類型泵裝置水動(dòng)力性能的優(yōu)缺點(diǎn)，并從葉輪、導(dǎo)葉體、進(jìn)水流道、出水流道及泵裝置整體5個(gè)方面歸納分析了低揚(yáng)程泵裝置的研究進(jìn)展概況。采用Matlab軟件編制了自動(dòng)求解泵裝置水動(dòng)力特性的程序，基于Visual Fortran和AutoCAD軟件編制了對(duì)泵裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果文件處理的自動(dòng)繪圖程序，為后續(xù)研究分析提供了技術(shù)支撐。分析了4種湍流模型、網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格類型在低揚(yáng)程泵裝置中的適用性問(wèn)題，并將數(shù)值計(jì)算的預(yù)測(cè)值與物理模型試驗(yàn)值進(jìn)

3、行了對(duì)比。研究了葉頂間隙大小對(duì)低揚(yáng)程泵裝置內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的影響，探討了不同葉頂間隙對(duì)泵裝置流量、揚(yáng)程、軸功率及效率的影響，并成功捕捉到葉頂間隙泄漏渦結(jié)構(gòu)。葉頂間隙在0.3mm以內(nèi)時(shí)，對(duì)泵裝置的能量性能影響較小，隨著葉頂間隙增大，揚(yáng)程和效率迅速下降，當(dāng)葉頂間隙增大至1.0 mm時(shí)，揚(yáng)程降幅為10％～27％，效率降幅約10％，葉頂間隙作為低揚(yáng)程泵裝置數(shù)值計(jì)算固有的物理邊界條件之一，在數(shù)值計(jì)算中應(yīng)給予考慮。
　　(2)基于CFD技術(shù)詳細(xì)

4、地分析了低揚(yáng)程泵裝置的進(jìn)水流道與葉輪、導(dǎo)葉體與出水流道間的水力相干機(jī)理，進(jìn)水流道出口斷面的軸向速度分布均勻度和平均環(huán)量受葉輪旋轉(zhuǎn)的影響較明顯，葉輪旋轉(zhuǎn)引起環(huán)量增加使進(jìn)水流道水力損失有所減小。導(dǎo)葉體出口環(huán)量對(duì)出水流道的流場(chǎng)影響較大，導(dǎo)致隔墩兩側(cè)流量分配不均，大流量時(shí)隔墩兩側(cè)水流流態(tài)比較平順，而小流量時(shí)隔墩右側(cè)流道內(nèi)出現(xiàn)螺旋狀水流，兩側(cè)水流嚴(yán)重不均衡。無(wú)環(huán)量時(shí)出水流道的水力損失與流量成二次方關(guān)系，有環(huán)量時(shí)出水流道的水力損失增大，出水流道的內(nèi)

5、外特性與泵裝置的運(yùn)行工況有關(guān)系。針對(duì)雙向立式低揚(yáng)程泵裝置的水動(dòng)力性能特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了導(dǎo)水錐對(duì)泵裝置自流及抽水工況時(shí)進(jìn)水流道水力性能的影響;借鑒燈泡貫流泵裝置中擴(kuò)散導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)思路，研究了擴(kuò)散導(dǎo)葉體對(duì)雙向立式泵裝置水力性能的影響及其在立式軸流泵裝置中的適用性問(wèn)題，通過(guò)物理模型試驗(yàn)分析了變轉(zhuǎn)速變工況時(shí)雙向立式泵裝置內(nèi)部水流脈動(dòng)。
　　(3)對(duì)斜15°軸伸貫流泵裝置內(nèi)流機(jī)理進(jìn)行了全流道的三維數(shù)值計(jì)算，分析了在葉輪旋轉(zhuǎn)條件下斜15°進(jìn)水流道

6、出口斷面的水力性能及其對(duì)葉輪進(jìn)口斷面相對(duì)位置高度的影響，給出了斜15°軸伸貫流泵裝置的葉輪名義安裝高度取值范圍，分析了斜置安放葉輪受水流作用力的分布規(guī)律，探討了其水力矩的變化規(guī)律及翼型附近相對(duì)流速的分布規(guī)律。針對(duì)城市防洪排澇泵站的特點(diǎn)，研發(fā)了兩套超低揚(yáng)程的雙向潛水貫流泵裝置，獲得了雙向潛水貫流泵裝置的內(nèi)流場(chǎng)，分析了燈泡體段對(duì)正、反向運(yùn)行時(shí)泵裝置水力性能的影響，包括燈泡體段的水力損失、導(dǎo)葉體內(nèi)部流態(tài)及“S”形葉輪所受軸向力、葉頂間隙及葉片

7、表面壓力等。引入了單工況泵裝置綜合特性指標(biāo)(C.P.I)，分析了兩套不同泵裝置間水力性能的差異性，給出了雙向潛水貫流泵裝置的參考結(jié)構(gòu)尺寸。為研究系列豎井型線的演變規(guī)律及其對(duì)泵裝置水力性能的影響，在歸納分析豎井型線的基礎(chǔ)上，采用一維水力設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了4種不同豎井貫流泵裝置，并基于ANSYS CFX對(duì)其進(jìn)行三維湍流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。采用多元線性回歸方法建立了泵裝置效率與流量、進(jìn)水流道三個(gè)性能指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系式，表明進(jìn)水流道的水力損失、軸向速度分布均

8、勻度及速度加權(quán)平均角共同影響著泵裝置的水力性能。在最優(yōu)工況時(shí)各進(jìn)水流道出口斷面的軸向速度分布整體趨勢(shì)相同，將各斷面的軸向速度擬合成多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型，為葉輪的設(shè)計(jì)提供一定的參考。在泵裝置三維定常數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，引入了泵裝置的無(wú)因次動(dòng)量參數(shù)和泵裝置多工況性能加權(quán)評(píng)價(jià)指標(biāo)(M.P.I)，為解決不同泵裝置水力性能的比較提供了參考方法?；贏NSYS CFX軟件對(duì)前、后置豎井貫流泵裝置進(jìn)行三維定常流動(dòng)數(shù)值模擬。引入平均渦角的概念，分析了前、后置豎

9、井貫流泵裝置內(nèi)部流動(dòng)的差異性，重點(diǎn)對(duì)不同形體的進(jìn)、出水流道的水力性能及前、后置豎井貫流泵裝置的外特性進(jìn)行了分析比較。
　　(4)在對(duì)泵裝置進(jìn)、出水流道水力性能的理論分析基礎(chǔ)上，建立了泵裝置進(jìn)、出水流道的多目標(biāo)多約束自動(dòng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并基于iSIGHT-FD優(yōu)化軟件構(gòu)建了泵裝置進(jìn)、出水流道的自動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)，為泵裝置流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了全新的多目標(biāo)多約束優(yōu)化技術(shù)手段。以軸伸式貫流泵裝置的進(jìn)、出水流道為優(yōu)化目標(biāo)，在流道的幾何數(shù)學(xué)模型描述的

10、基礎(chǔ)上采用多目標(biāo)優(yōu)化平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，優(yōu)化后的進(jìn)水流道水力損失減小了12.61％，軸向速度分布均勻度提高了1.86％，速度加權(quán)平均角提高了3.10°;優(yōu)化后的出水流道水力損失減小了24.91％，動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)提高了6.65％，當(dāng)量擴(kuò)散角變?yōu)?.98°，從流道水力性能參數(shù)的定量分析可知，基于iSIGHT優(yōu)化軟件建立的多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)是可行性。在泵裝置流道多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了泵裝置多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并給出了泵裝置多目標(biāo)多約束

11、自動(dòng)優(yōu)化的流程圖。
　　(5)基于泵裝置三維定常數(shù)值計(jì)算，定性地分析了各工況時(shí)新型高效S形泵裝置的葉輪表面靜壓分布及摩擦力線和導(dǎo)葉體內(nèi)靜壓分布、漩渦情況，并定量分析了葉片出口的軸向速度分布規(guī)律及導(dǎo)葉體的回收環(huán)量能力和水力損失情況;分析了進(jìn)水流道及出水流道的內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)，包括流速分布、靜壓分布等，進(jìn)水流道的軸向速度分布均勻度與速度加權(quán)平均角隨著流量系數(shù)KQ的增大而增大，在最優(yōu)工況KQ=0.490時(shí)，速度加權(quán)平均角為88.8°，軸向速

12、度分布均勻度為97.51％，水力損失為3.89 cm。因葉輪與導(dǎo)葉體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，泵裝置內(nèi)部流動(dòng)實(shí)際是非定常流動(dòng)，采用“瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子”技術(shù)對(duì)新型高效S形軸伸貫流泵裝置進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，定量分析了各過(guò)流部件內(nèi)部的水力脈動(dòng)情況、葉輪受力及扭矩的非定常特性，葉輪葉片及導(dǎo)葉片的最大與最小壓力值的水壓力脈動(dòng)情況。
　　針對(duì)新型高效軸伸S軸伸貫流泵裝置，制作了泵裝置物理模型并在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)，

13、測(cè)試并分析了五個(gè)葉片安放角時(shí)新型S形軸伸貫流泵裝置的能量性能、汽蝕性能及飛逸特性。在葉片安放角-2°時(shí)，新型高效S形泵裝置的最高效率為83.55％，表明研發(fā)的新型高效S形軸伸貫流泵裝置具有高效節(jié)能的突出優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)模型泵裝置阻力矩的計(jì)算分析，得出了在不同反向水頭工況下相同葉片安放角時(shí)單位飛逸轉(zhuǎn)速不是定值的原因，實(shí)際工程采用模型泵裝置單位飛逸轉(zhuǎn)速進(jìn)行原型泵站飛逸轉(zhuǎn)速換算是偏安全的。
　　采用物理模型試驗(yàn)方法研究新型S形軸伸貫流泵裝置

14、的運(yùn)行穩(wěn)定性，在導(dǎo)葉體外壁布置兩支電動(dòng)式加速度傳感器，分別測(cè)量了橫向（X方向）與鉛垂方向（Y方向）的振動(dòng)位移。在額定轉(zhuǎn)速1350 r/min時(shí)，采用EN900采集分析儀對(duì)葉片安放角為+4°與-4°時(shí)不同運(yùn)行工況的泵裝置模型進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和分析。
　　(6)開展了有渦入流條件下箱涵式軸流泵裝置內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的研究，闡述了喇叭管懸空高及流道高度相關(guān)聯(lián)時(shí)對(duì)箱涵式進(jìn)水流道內(nèi)流場(chǎng)及水力性能的影響，重點(diǎn)分析了有渦入流條件時(shí)葉輪所受軸向力及徑向力情

15、況，以及對(duì)葉輪進(jìn)口處水力脈動(dòng)的影響，采用定量的方法闡述了渦帶在流道內(nèi)部產(chǎn)生及逐步耗散的過(guò)程，通過(guò)3D-PIV測(cè)試技術(shù)和高速攝影技術(shù)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模擬的可靠性及有效性。
　　(7)通過(guò)速度三角形分析了前置導(dǎo)葉對(duì)泵裝置水動(dòng)力性能的影響。依據(jù)前置導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了可調(diào)前置導(dǎo)葉，開展了前置導(dǎo)葉不同調(diào)節(jié)角時(shí)泵裝置的三維定常數(shù)值計(jì)算，分析了其對(duì)泵裝置內(nèi)、外特性的影響，重點(diǎn)分析了不同調(diào)節(jié)角時(shí)前置導(dǎo)葉對(duì)葉輪水力性能的影響，通過(guò)自編程序獲取了可