低扬程水泵装置水力特性换算与性能预测研究

摘要

本文系水利部科技创新项目“低扬程泵站原模型水力特性换算研究(SCX2003-12)”、国家自然科学基金项目“低扬程大泵站过渡过程特性(50279045)”、江苏省水利厅项目“泵站水力模型选择与装置研究”、江苏省水利厅项目“南水北调宝应泵站流量及起动过渡过程现场测试研究”和上海市项目“上海浦东国际机场薛家泓泵站泵装置模型试验研究”等课题部分研究成果。 水力机械模型试验不仅是了解水力机械特性的最重要手段，而且是构建水力特性原模型换算的重要基础。国内外大量的水力机械模型试验成果大多针对泵段特性或是低比转速泵而言，而对低扬程泵装置(由泵体及进出水流道等组成)特性尤其是针对其原模型水力学特性换算的试验研究很少见到报道。南水北调东线一期工程从长江至山东东平湖输水沿途设13个梯级，共34座泵站，装机容量131050kW，装机流量1468m3/s，还将新建13处21座泵站，装机容量233540kW，装机流量2976.4m3/s。在南水北调东线一期工程中，装机容量364590kW，总装机流量4444.4m3/s的固定泵站均为低扬程大型泵站。此外，在其它跨流域调水、市政供排水等方面，还有大量低扬程泵站在运行。这些水利工程设施为区域调水、城镇供排水、保障工农业生产和居民生活作出了重要贡献。为了预测大型低扬程泵站工程长期稳定运行性能，有必要对低扬程泵站原模型水力特性换算进行理论及试验研究。 低扬程泵装置原模型效率换算问题复杂，涉及因素多难以圆满解决，是低扬程泵站研究中重要课题之一，与泵站工程长期稳定与安全经济运行密切相关，研究其水力换算特性无疑具有重要的理论价值与工程实践意义。但近代流体力学理论(湍流模式理论)至今还不很成熟，许多大型泵站工程兴建为水力特性换算理论研究带来了严峻的挑战，当前低扬程泵站水力特性理论研究仍是泵站工程研究中的难点和热点问题之一。鉴于此，本文从泵装置中各水力损失理论分析、内流场测试、CFD数值模拟、泵装置模型试验、泵装置原型现场测试等方面对低扬程泵装置原模型效率换算作深入研究，并将针对低扬程泵装置原模型水力特性换算的研究成果运用到重大水利工程——南水北调东线工程实践中，以解决实际问题： 本文主要研究工作集中在如下几个方面： (1)基于在水力机械试验台上得到的不同工况下泵装置水力学特性试验结果，分析了水力模型特性与尺寸、流态、转速、雷诺数、内摩擦系数等之间的关系，采用湍流模式理论，考虑微元体以及水体能量与尺寸之间的非线性关系，建立了考虑尺寸效应的水体水力损失本构模型。然后采用试验台对泵装置进行了模型试验，结合南水北调工程某泵站现场测试结果，从理论研究、模型实验和现场测试等方面，研究了影响低扬程泵装置原模型水力特性换算结果精度的机理。 (2)研究原模型泵站的水力特性换算方法。泵装置与泵的水力损失差别是泵装置增加了进出水导叶、进出水流道等水力损失。对过流部分的摩阻损失，原模型泵站的叶轮叶型、导叶叶型、进出水流道和泵站进出水管、拦污栅、断流闭锁装置等几何比尺相似与动力相似，则原模型水力阻力系数相等；原模型泵站叶轮、导叶水力模型几何比尺相似、运动相似，则过流水流撞击损失系数相等。通过对泵及泵装置进行模型试验求得两者的水力损失之差值，得到泵装置水力损失特性，提出用“黑箱法”进行原模型泵装置水力特性换算的新方法。 (3)通过对低扬程泵装置进行模型试验、现场测试两种试验方法，研究了影响泵装置效率的各因素间的关系，将尺寸效应因子以及相关变量引入到所建非线性特性换算本构模型中，建立了考虑尺寸效应泵装置特性换算本构模型，并基于试验结果验证所建本构模型的正确性和合理性，获得能用于工程数值分析的低扬程泵装置性能换算参数。提出泵效率表达和换算式与已有的泵效率换算式思路不同，泵效率表达式与换算式统一，能实现水泵分部效率换算，理论严密、精确度高。 (4)通过数值模拟及模型试验，研究并观察流经泵装置(包括叶轮室、导叶、进出水流道及附属设备)内水体流动情况，优化其过流的轮廓尺寸，消除涡流，优化泵装置水力特性，提高泵站运行效率。提出基于人工神经网络理论预测泵性能的新方法，通过建立的数学模型并编制程序对20多个泵性能进行了多参数的预测，预测结果其精度达到要求。在已有初步成果基础上，进一步深入系统研究，结合应用高精度水力机械试验台，通过试验验证，取得了创新、实用的重要成果。 (5)通过研究水力损失与尺寸效应、内摩擦系数及雷诺数变化规律，提出了基于雷诺数与内摩擦系数的水力特性换算模型，然后将该模型与广义尺寸效应模型联系起来，建立了一个新的考虑雷诺数与内摩擦系数的水力特性换算模型。基于提出的考虑雷诺数与内摩擦系数的水力特性换算模型，分析了大型低扬程泵装置效率换算特性。 (6)将低扬程泵装置水力特性换算的试验和理论研究成果应用于南水北调某大型泵站工程实践中，预测原型泵装置运行特性，从而为大型泵站工程的长期稳定与安全可靠性提供合理评价与建议，实现了将试验和理论研究成果运用于具体工程实践的最终目的。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：资助、主要符号说明

学位论文独创性声明及学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1选题背景和研究意义

1.2水泵装置水力特性换算研究进展

1.3水泵装置性能预测研究进展

1.3.1水泵装置试验设备和试验方法评述

1.3.2水泵装置损失分析实验计算研究进展

1.3.3神经网络在水泵装置性能预测中应用

1.3.4粒子图像测速(PIV)技术在泵装置内流场测试中应用

1.4水泵装置水力特性换算及性能预测研究中存在的不足

1.4.1目前我国水泵装置模型试验存在的问题

1.4.2水泵装置水力特性换算存在的不足

1.5本文主要研究内容

1.6论文研究方法、技术路线及试验方案

1.6.1论文研究方法

1.6.2论文技术路线

1.6.3论文试验方案

1.7论文主要创新点

第二章低扬程泵装置水力特性换算理论研究

2.1低扬程泵装置效率公式

2.1.1低扬程泵装置原型效率公式表达

2.1.2非最优工况时效率换算公式

2.2泵性能换算研究理论分析

2.2.1模型试验相似理论

2.2.2效率换算

2.3泵装置效率换算与单位参数修正

2.4低扬程水泵装置效率换算方法理论研究

2.4.1常用效率换算公式近似性分析

2.4.2泵体内不同类型水力损失计算分析

2.4.3泵体内水流处于阻力平方区时的水力损失分析

2.4.4综合换算法

2.5雷诺数对低扬程泵装置水泵效率换算影响研究

2.5.1泵的效率换算公式

2.5.2泵装置中雷诺数与指数的关系分析

2.6低扬程泵装置性能参数换算方法

2.6.1原模型泵装置容积效率换算分析

2.6.2原模型泵装置水力效率换算分析

2.6.3原模型泵装置机械效率换算分析

2.6.4原模型泵装置总效率换算

2.6.5水泵装置性能参数换算公式中指数的确定

2.7本章小结

第三章泵体内能量损失及泵装置效率换算研究

3.1泵体内能量损失分析及相似研究

3.2泵效率表达式理论研究

3.3泵效率公式常数计算和换算

3.4低扬程泵装置水力损失表达及换算

3.5低扬程泵装置流道水力损失计算方法

3.6低扬程泵装置代表性流道段水力损失估算

3.7典型低扬程泵装置及其流道阻力系数

3.8低扬程泵装置效率表达、效率常数计算

3.9本章小结

第四章基于BP神经网络泵装置性能预测研究

4.1泵及泵装置性能预测研究意义

4.2低扬程泵装置流道损失试验研究

4.2.1低扬程泵装置典型流道及特点

4.2.2流道损失试验研究的意义及装置设计

4.2.3试验设备及测试方法

4.3基于三维粘性流动的流道水力特性数值模拟(CFD)

4.3.1控制方程与湍流模型

4.3.2数值模拟计算

4.3.3数值模拟及计算结果分析

4.4基于BP人工神经网络的水泵性能预测研究

4.4.1神经网络的基本原理

4.4.2误差逆传播(BP)神经网络

4.4.3基于神经网络泵及泵装置动力特性预测算例

4.5本章小结

第五章算例及工程应用

5.1工程概况

5.2南水北调某泵站泵装置水力特性模型试验

5.2.1模型泵装置测试系统

5.2.2模型泵装置试验台效率综合误差分析

5.2.3泵装置原模型性能换算分析

5.2.4试验结果

5.3南水北调某泵站水泵稳态流量现场测试

5.3.1测流断面的选择

5.3.2 RCPD型流量计的测流原理

5.3.3 RCPD型流量计准确度的标定

5.3.4稳态流量测试方法

5.4泵站流量现场测试结果

5.5测试结果分析

5.6用“黑箱法”进行原、模型泵装置水力特性换算研究

5.6.1“黑箱法”水力特性换算理论分析

5.6.2“黑箱法”水力特性换算工程实例

5.6.3“黑箱法”换算方法几点认识

5.7本章小结

第六章总结与展望

6.1泵及泵装置水力特性换算研究总结

6.2本课题尚待解决的问题

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表的学术论文（23篇）

攻读博士学位期间参加的科研项目及鉴定与获奖情况