1.3　本书的研究思路和研究内容

从水力机械研究的现状来看,水轮机及水电站的流动特性研究较丰富,研究手段先进,成果直接应用于工程较为成熟。国内在泵站内部流动特性和水力性能预测研究方面虽然开展了卓有成效的研究,但与国外相比还存在一定的差距,主要表现如下:

(1)开展泵站过流单个部件研究不够系统全面,提炼的流动特性成果少;

(2)在泵站优化水力设计目标函数研究方面,注重流场细部,忽视水力性能指标;在出水流道和整体泵装置研究方面还是空白;

(3)对轴流泵装置内部全流道流动特性与水力性能之间的关系的研究少,国外这方面开展的研究工作也有限;

(4)低扬程泵装置整体流动特性研究较为薄弱,报道的少量流动数值模拟成果,大多缺少必要的实验验证;

(5)对泵装置条件下的水力性能预测研究不够深入,没有系统泵装置的水力损失预测理论模型。

1.3.1　研究思路

泵站的过流部件包括了进水池、进水流道、叶轮和出水流道等,其内部流动是较为复杂的三维流动。本书以流动数值分析为重点,以三维黏性紊流数值模拟为主要研究手段,辅以实验验证,按照先部分后整体逐步深入的研究思路,首先对泵站各部分的流动进行计算分析,研究其水力特性规律,建立各部分的优化设计目标函数。在此研究成果的基础上,建立整体泵装置数值模拟的模型,提出基于黏性流动分析的水力性能预测模型,通过对3种不同形式的泵站进行计算分析,与实验水力性能进行比较,分析泵站运行特征工况与流动特性的联系。

1.3.2　研究内容

本书共分为7章,主要进行了以下研究工作:

(1)对泵站研究的现状和发展进行了全面分析和综述,指出了目前研究的主要方向。

(2)对前池进水流动特性与水力性能进行研究。系统分析了前池流态特点和不同流态改善措施原理。采用数值模拟和模型实验方法,研究了底坎和Y型导流墩几何参数对流态改善影响。最后通过实例计算与实验验证了前池流态改善措施的可行性。

(3)对泵站进水池流动特性与水力性能进行研究。提出泵站进水池优化的目标函数。采用紊流模型对泵站进水池进行数值模拟研究,预测三维内部流动特性,分析池内易产生漩涡的位置及其原因,系统研究了进水池各参数对水力性能及流态的影响。通过对泵站吸水管内流动的分析研究水泵叶轮位置即名义高度H的取值。最后将计算流场与3D-PIV测试流场进行比较,验证采用的数值计算方法的可靠性。

(4)对泵站进水流道流动特性与水力性能进行研究。提出新的进水流道水力性能优化目标数学模型。通过对两种不同类型的进水流道(喇叭管进水流道和肘形进水流道)进行内部流动和水力性能分析,提出喇叭管进水流道演化理论以及优化设计控制参数,研究肘形进水流道基本流动特征和叶轮名义高度控制取值范围。最后通过工程改造实践,运用提出的优化目标和数值计算方法结合模型试验研究,优选改造方案。

(5)对泵站出水流道流动特性与水力性能进行研究。建立了出水流道水力性能优化目标函数。依据目标函数,运用三维数值模拟技术,对双向泵站出水室形式进行了优选,对出水流道内部流动进行分析。

(6)对低扬程泵站整体进行内部流动分析和性能预测。运用整体数值模拟技术,对工程应用广泛的贯流泵装置、对称翼型双向泵装置和立式泵装置等3种不同泵装置进行计算,得到了泵装置条件下的三维流动特性,预测水力性能并与实验结果进行了比较。对泵装置条件下外特性与内特性的联系进行了分析。提出了泵装置水力损失分析方法和基于泵装置整体黏性计算的性能预测模型。结合工程实践,采用基于整体泵装置的数值模拟技术对竖井贯流泵进、出水流道进行了优化,取得了满意的成果。