低揚(yáng)程水泵裝置水力特性換算與性能預(yù)測研究.pdf

1、本文系水利部科技創(chuàng)新項(xiàng)目“低揚(yáng)程泵站原模型水力特性換算研究(SCX2003-12)”、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“低揚(yáng)程大泵站過渡過程特性(50279045)”、江蘇省水利廳項(xiàng)目“泵站水力模型選擇與裝置研究”、江蘇省水利廳項(xiàng)目“南水北調(diào)寶應(yīng)泵站流量及起動過渡過程現(xiàn)場測試研究”和上海市項(xiàng)目“上海浦東國際機(jī)場薛家泓泵站泵裝置模型試驗(yàn)研究”等課題部分研究成果。 水力機(jī)械模型試驗(yàn)不僅是了解水力機(jī)械特性的最重要手段，而且是構(gòu)建水力特性原模型換算

2、的重要基礎(chǔ)。國內(nèi)外大量的水力機(jī)械模型試驗(yàn)成果大多針對泵段特性或是低比轉(zhuǎn)速泵而言，而對低揚(yáng)程泵裝置(由泵體及進(jìn)出水流道等組成)特性尤其是針對其原模型水力學(xué)特性換算的試驗(yàn)研究很少見到報道。南水北調(diào)東線一期工程從長江至山東東平湖輸水沿途設(shè)13個梯級，共34座泵站，裝機(jī)容量131050kW，裝機(jī)流量1468m3/s，還將新建13處21座泵站，裝機(jī)容量233540kW，裝機(jī)流量2976.4m3/s。在南水北調(diào)東線一期工程中，裝機(jī)容量364590k

3、W，總裝機(jī)流量4444.4m3/s的固定泵站均為低揚(yáng)程大型泵站。此外，在其它跨流域調(diào)水、市政供排水等方面，還有大量低揚(yáng)程泵站在運(yùn)行。這些水利工程設(shè)施為區(qū)域調(diào)水、城鎮(zhèn)供排水、保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活作出了重要貢獻(xiàn)。為了預(yù)測大型低揚(yáng)程泵站工程長期穩(wěn)定運(yùn)行性能，有必要對低揚(yáng)程泵站原模型水力特性換算進(jìn)行理論及試驗(yàn)研究。 低揚(yáng)程泵裝置原模型效率換算問題復(fù)雜，涉及因素多難以圓滿解決，是低揚(yáng)程泵站研究中重要課題之一，與泵站工程長期穩(wěn)定與安全經(jīng)

4、濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)，研究其水力換算特性無疑具有重要的理論價值與工程實(shí)踐意義。但近代流體力學(xué)理論(湍流模式理論)至今還不很成熟，許多大型泵站工程興建為水力特性換算理論研究帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，當(dāng)前低揚(yáng)程泵站水力特性理論研究仍是泵站工程研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題之一。鑒于此，本文從泵裝置中各水力損失理論分析、內(nèi)流場測試、CFD數(shù)值模擬、泵裝置模型試驗(yàn)、泵裝置原型現(xiàn)場測試等方面對低揚(yáng)程泵裝置原模型效率換算作深入研究，并將針對低揚(yáng)程泵裝置原模型水力特性換算

5、的研究成果運(yùn)用到重大水利工程——南水北調(diào)東線工程實(shí)踐中，以解決實(shí)際問題： 本文主要研究工作集中在如下幾個方面： (1)基于在水力機(jī)械試驗(yàn)臺上得到的不同工況下泵裝置水力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果，分析了水力模型特性與尺寸、流態(tài)、轉(zhuǎn)速、雷諾數(shù)、內(nèi)摩擦系數(shù)等之間的關(guān)系，采用湍流模式理論，考慮微元體以及水體能量與尺寸之間的非線性關(guān)系，建立了考慮尺寸效應(yīng)的水體水力損失本構(gòu)模型。然后采用試驗(yàn)臺對泵裝置進(jìn)行了模型試驗(yàn)，結(jié)合南水北調(diào)工程某泵站現(xiàn)場測

6、試結(jié)果，從理論研究、模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測試等方面，研究了影響低揚(yáng)程泵裝置原模型水力特性換算結(jié)果精度的機(jī)理。 (2)研究原模型泵站的水力特性換算方法。泵裝置與泵的水力損失差別是泵裝置增加了進(jìn)出水導(dǎo)葉、進(jìn)出水流道等水力損失。對過流部分的摩阻損失，原模型泵站的葉輪葉型、導(dǎo)葉葉型、進(jìn)出水流道和泵站進(jìn)出水管、攔污柵、斷流閉鎖裝置等幾何比尺相似與動力相似，則原模型水力阻力系數(shù)相等；原模型泵站葉輪、導(dǎo)葉水力模型幾何比尺相似、運(yùn)動相似，則過流水流撞

7、擊損失系數(shù)相等。通過對泵及泵裝置進(jìn)行模型試驗(yàn)求得兩者的水力損失之差值，得到泵裝置水力損失特性，提出用“黑箱法”進(jìn)行原模型泵裝置水力特性換算的新方法。 (3)通過對低揚(yáng)程泵裝置進(jìn)行模型試驗(yàn)、現(xiàn)場測試兩種試驗(yàn)方法，研究了影響泵裝置效率的各因素間的關(guān)系，將尺寸效應(yīng)因子以及相關(guān)變量引入到所建非線性特性換算本構(gòu)模型中，建立了考慮尺寸效應(yīng)泵裝置特性換算本構(gòu)模型，并基于試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所建本構(gòu)模型的正確性和合理性，獲得能用于工程數(shù)值分析的低揚(yáng)程泵

8、裝置性能換算參數(shù)。提出泵效率表達(dá)和換算式與已有的泵效率換算式思路不同，泵效率表達(dá)式與換算式統(tǒng)一，能實(shí)現(xiàn)水泵分部效率換算，理論嚴(yán)密、精確度高。 (4)通過數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)，研究并觀察流經(jīng)泵裝置(包括葉輪室、導(dǎo)葉、進(jìn)出水流道及附屬設(shè)備)內(nèi)水體流動情況，優(yōu)化其過流的輪廓尺寸，消除渦流，優(yōu)化泵裝置水力特性，提高泵站運(yùn)行效率。提出基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論預(yù)測泵性能的新方法，通過建立的數(shù)學(xué)模型并編制程序?qū)?0多個泵性能進(jìn)行了多參數(shù)的預(yù)測，預(yù)測

9、結(jié)果其精度達(dá)到要求。在已有初步成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究，結(jié)合應(yīng)用高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了創(chuàng)新、實(shí)用的重要成果。 (5)通過研究水力損失與尺寸效應(yīng)、內(nèi)摩擦系數(shù)及雷諾數(shù)變化規(guī)律，提出了基于雷諾數(shù)與內(nèi)摩擦系數(shù)的水力特性換算模型，然后將該模型與廣義尺寸效應(yīng)模型聯(lián)系起來，建立了一個新的考慮雷諾數(shù)與內(nèi)摩擦系數(shù)的水力特性換算模型?；谔岢龅目紤]雷諾數(shù)與內(nèi)摩擦系數(shù)的水力特性換算模型，分析了大型低揚(yáng)程泵裝置效率換算特性。