低扬程大型泵站装置特性研究

摘要

本文研究以南水北调东线工程、城市防洪重点工程建设和大型泵站更新技术改造为背景。以低扬程大型泵站为研究对象，运用三维湍流数值模拟和实验研究相结合的方法，系统地研究了泵站工程过流构筑物中新型进水流道、出水流道内流场特性及水力特性，对比测试分析了常见流道的水力特性，提出了泵站新型进、出水流道型线参数确定的原则和方法。从理论上推演分析建立了泵装置动力特性预测数学模型；系统地研究了泵装置起动、停泵过渡过程，建立了完整的起动动态特性数学模型，提出了停泵动态特性计算方法。 1.基于三维紊流数值模拟，以大型计算流体力学软件Fluent为平台，采用时均N-S方程(RANS)和K-湍流模型，运用SIMPLEC算法，数值模拟了钟形、竖井贯流和簸箕形进水流道的内流场。以流道出口速度均匀度、速度加权平均角、水力损失大小为评价目标函数，研究了钟形进水流道不同喇叭口悬空高度的内流场特征和水力损失特性，提出了喇叭口悬空高度的合理取值范围。构建了钟形进水流道模型试验装置系统，利用五孔探针测试了不同喇叭口悬空高度时流道出口断面的流速分布，并与数值计算结果进行了比较分析，得出了带泵的流道出口速度分布规律。数值计算揭示了竖井贯流、簸箕进水流道内流场特征、特征断面的流速及水力损失规律，并对竖井贯流泵装置特性、簸箕形进水流道水力特性进行了试验研究，提出了竖井贯流、簸箕形进水流道的优化特征型线及控制尺寸。 2.运用三维湍流数值模拟的方法，对近年来应用于特低扬程大型泵站中的一种新型出水流道一箱涵式出水流道内流场特征及水力特性进行分析研究。研究中，针对喇叭出口设导水锥和不设导水锥，分别设计了不同喇叭口悬空高度、不同喇叭管型线、不同后壁距、不同后壁型线以及无扩散喇叭管等方案，数值模拟各方案流道内流场，预测旋涡发生位置和形态，得出了流道纵向剖面、喇叭口及出水柱状面上速度分布规律，预测并分析流道水力损失规律。构建模型试验装置系统，制作物理模型，对各数值计算方案进行系列试验研究，测得各方案流道的水力损失，观测了流道内水流流态，研究得出了流道水力损失随流道几何特征参数变化规律。根据数值计算和试验研究的结果，提出了新型箱涵式出水流道优化设计方法。对常见的虹吸式、直管式和钟形出水流道，设计并制作物理模型，测试并比较其水力损失。 3.从流体力学基本原理出发，运用相似理论中的方程分析法，系统地分析泵装置动力特性、汽蚀特性、飞逸特性的相似模拟方法，阐述了相似准则之间的关系、参数换算比尺。从理论上分析和表达了水泵机械效率、水力效率、容积效率、水泵效率及泵装置效率。根据模型泵(或泵装置)试验数据，利用最小二乘法拟合及牛顿迭代法计算泵效率(或泵装置效率)表达式中拟合系数，将模型水泵各工况点效率分解为水力效率、容积效率和机械效率，实现了各部分效率按各自公式换算，提出了水力效率、容积效率、机械效率、管道效率、泵及泵装置效率换算的新方法，建立了低扬程大型泵站动力特性预测数学模型。 4.在分析低扬程泵装置机组暂态电气特性、动力特性和管道中空气动力学特性基础上，结合水泵相似率，从理论上系统地研究了拍门断流直管式出流泵装置起动动态特性、虹吸式出水流道泵装置起动动态特性以及快速闸门断流直管式出流泵装置起动动态特性，并分别建立了相应的起动过渡过程数学模型。 5.基于刚性水锤理论，分析和表达了低扬程大型泵装置水力特性和机组动力学特性，并运用最小二乘曲面拟合方法仿真模拟了水泵全性能曲线。为合理地在停泵动态特性计算中引入全特性曲线稳态参数，研究中，提出将水泵瞬态扬程分解为稳态扬程和惯性水头扬程，与之相应水阻力力矩、推力轴承摩擦力矩也分解为稳态力矩和惯性水头引起附加力矩，方程中稳态参数，即可用基于曲面拟合的全特性曲线方程代入，从而建立贯流泵站事故停泵、液压快速闸门断流停泵动态特性计算有限差分非线性方程组，并给出了计算方法、步骤和计算实例。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第1章绪论

§1.1课题研究的背景和意义

§1.2低扬程大型泵站装置特性研究现状与进展

1.2.1泵站进出水流道研究

1.2.2泵(泵装置)特性预测理论研究

1.2.3泵站起动停泵动态特性研究

§1.3本文的主要研究内容

第2章泵站进出水流道三维湍流数值模拟方法

§2.1控制方程组

2.1.1湍流时均纳维-斯托克斯方程(RANS)

2.1.2湍流模型

2.1.3直角坐标系下控制方程组

2.1.4任意三维曲线坐标系下控制方程组

§2.2贴体坐标变换与网格生成

§2.3交错网格及控制方程组的离散

§2.4压力修正法

§2.5壁面函数法

§2.6本章小结

第3章大型泵站钟形、竖井和簸箕形进水流道内流场数值分析与试验研究

§3.1钟形进水流道三维湍流数值分析与实验研究

3.1.1钟形进水流道型线设计方法

3.1.2钟形进水流道内流场数值分析

3.1.3计算结果与分析

3.1.4钟形进水流道出口流速分布测试研究

§3.2竖井贯流进水流道三维湍流数值分析与试验研究

3.2.1进水流道型线特征

3.2.2计算结果与分析

3.2.3泵装置特性试验

3.2.4本节结论

§3.3簸箕形进水流道三维湍流数值分析与试验研究

3.3.1流道水力损失试验

3.3.2试验结果与分析

3.3.3流道内流场数值分析

§3.4本章小结

第4章低扬程泵装置出水流道内流场数值分析与水力特性试验研究

§4.1新型箱涵式出水流道内流场三维湍流数值分析

4.1.1无导水锥方案的流道内流场分析

4.1.2设置导水锥方案的流道内流场分析

§4.2新型箱涵式出水流道水力特性试验研究

4.2.1试验方案与测试系统

4.2.2喇叭口悬空高度试验结果与分析

4.2.3后壁距与后壁型线试验结果与分析

§4.3虹吸式、直管式和钟形出水流道水力特性试验

4.3.1模型流道型线设计与试验装置

4.3.2试验结果与分析

§4.3本章小结

第5章低扬程泵装置相似换算与特性预测理论研究

§5.1低扬程泵装置模型相似换算方法

5.1.1泵装置动力特性模拟方法

5.1.2泵装置汽蚀特性模拟方法

5.1.3泵装置飞逸特性模拟方法

§5.2模型泵及泵装置特性的数学表达

5.2.1模型泵及泵装置扬程特性的数学表达

5.2.2模型泵及泵装置效率特性的数学表达

5.2.3模型泵及泵装置轴功率特性的数学表达

§5.3低扬程泵装置动力特性预测理论

5.3.1泵及泵装置效率换算方法

5.3.2原型泵装置动力特性预测

5.3.3水泵(泵装置)效率换算示例

§5.4本章小结

第6章低扬程立式轴流泵装置起动动态特性研究

§6.1低扬程泵装置机组暂态电气特性和动力学特性

6.1.1机组惯性力矩MJ

6.1.2电动机电磁力矩MD

6.1.3水泵水力矩MW

6.1.4轴承摩擦力矩MZf

6.1.5电动机风扇阻力力矩MF

6.1.6油粘滞阻力力矩MO

§6.2直管式出水泵机组起动动态特性研究

6.2.1泵装置管道内气体的动力特性

6.2.2泵装置管道的水力特性

6.2.3水泵的动力特性

6.2.4起动过渡过程动态特性参数数值计算方法

6.2.5计算实例

§6.3虹吸式出水流道泵机组起动动态特性研究

6.3.1虹吸出水流道内空气动力特性

6.3.2泵装置流道水力特性

6.3.3数学模型建立

6.3.4数学模型的数值计算方法

6.3.5计算实例

§6.4快速闸门断流泵机组起动动态特性研究

6.4.1开机未起升闸门前的过渡过程计算

6.4.2起升闸门但未出现胸墙溢流的过渡过程计算

6.4.3起升闸门出现胸墙溢流的过渡过程计算

§6.5本章小结

第7章低扬程贯流泵装置停泵动态特性理论研究

§7.1水头平衡方程

§7.2机组转动力矩平衡方程

§7.3水泵全特性曲线的计算机仿真

7.3.1水泵的无量纲相似特性

7.3.2矩形域最小二乘曲面拟合的数学模型

7.3.3水泵全性能曲线计算机仿真技术

§7.4事故停泵过渡过程数学模型建立及求解

7.4.1数学模型建立

7.4.2数学模型求解

§7.5液压快速闸门断流停泵过渡过程数学模型及求解

§7.6南水北调贯流泵站停泵过渡过程计算

7.6.1基本资料

7.6.2数学模型求解

§7.7本章小结

第8章结论与展望

§8.1结论

§8.2展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文和承担的科研项目

致谢