泵站拍门流固相互作用机理及状态评估模型研究

In China, pumping station project is large in scale and numerous in quantities. As one of the main cutoff devices of pumping station, the working performance of flap valve affects the efficiency of pump unit, the energy consumption of pumping station and the safety of pumping structure. Guided by the vital national demand and subject frontier, the project revolves around the characteristics of fluid-structure interaction mechanism in the flap valve of pumping station. With the combination of theoretical analysis, numerical simulation, model test and prototype test, multi-interdisciplinary integration like fluid-solid coupling mechanics, impact-contact theory, non-linear applied mathematics and structural health diagnosis theory are highlighted to carry out the basic research of fluid-structure interaction mechanism and the application research of state evaluation models. Then, the interaction mechanism of fluid-solid coupling mechanics is revealed and the state evaluation models of the flap valve are established. Finally, the proposed theory and method as well as the analytical model will be applied to practical engineering. With a bright prospect of applications in engineering and comprehensive social benefits, this study provides important tools to ensure the safety and efficient operation of the pumping station. At the same time, as the frontier research in water conservancy & hydropower engineering and hydraulic structure, this project is of great scientific significance to promote the development of water conservancy and hydropower engineering discipline.

我国泵站工程规模庞大、数量众多，拍门作为泵站的主要断流设备之一，其工作性态影响泵装置效率发挥、泵站系统能源消耗以及泵站结构安全。本项目以国家重大需求和学科前沿为导向，紧紧围绕泵站拍门流固相互作用强的特点，融合理论分析、数值模拟、模型试验和原型试验等多种研究手段，突出流固耦合理论、碰撞接触理论、非线性应用数学理论及结构健康诊断理论等多学科交叉与集成，深入开展泵站拍门流固相互作用机理的基础性研究及状态评估模型的应用基础性研究，旨在揭示泵站拍门流固相互作用机理与建立泵站拍门状态评估模型，并将所提出的理论和方法以及分析模型应用于实际工程。本研究为保证泵站工程安全、高效运行提供了重要手段，具有广泛的工程应用前景、重大的社会效益和经济效益，同时也是水利水电工程和水工结构工程应用基础研究中的前沿课题，对推动水利工程学科发展具有重要的科学意义。

拍门作为地势平缓地区泵站常用的断流装置是我国领先于世界的一项先例，其工作性态影响泵装置效率发挥、泵站系统能源消耗以及泵站结构安全。本项目以国家重大需求和学科前沿为导向，紧紧围绕泵站拍门流固相互作用强的特点，突出流固耦合理论、碰撞接触理论、非线性应用数学理论及结构健康诊断理论等多学科交叉与集成，深入开展泵站拍门流固相互作用机理的基础性研究及状态评估模型的应用基础性研究，并将所提出的理论和方法以及分析模型应用于实际工程。本项目采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，提出泵站拍门工作状态评估预测模型和泵站拍门结构系统安全评估模型及其状态诊断方法。为拍门的设计和泵站的安全经济运行提供理论依据。创建了便于推广应用的高性能泵装置关键技术体系。集成研发了大流量高性能泵装置关键技术，并将其应用于泵站工程设计、施工和工程检验的全过程；研发了两种最适合大流量低扬程泵站的泵装置；创建了大流量泵站跨专业协同优化设计方法。提出泵装置水力设计与泵房水工设计、结构设计协同优化设计的新理念；创建了基于CFD的进、出水流道三维优化水力设计方法；创建了大流量泵站高性能泵装置水泵选型新方法。揭示了泵装置性能曲线与水泵性能曲线稳定运行区之间的关系；揭示了泵装置性能曲线与水泵性能曲线非稳定运行区之间的关系；相关成果还荣获得江苏省科技进步一等奖1项，教育部技术发明奖二等奖1项，本项目共发表30篇论文，其中有12篇SCI，获批国家发明及实用新型专利20项，6项软件著作权。应用本成果的泵站，已有10座获中国水利工程优质奖，8座获全国优秀水利工程设计奖。大大增强了应对“三大水问题”的能力，近2年节电2.96亿度，经济效益为43.8亿元。成果已推广应用于102座大流量泵站，泵装置效率整体水平提高了8个百分点；泵站建设整体水平赶上和超过日本、荷兰等国，从泵站大国迈向泵站强国作出了实实在在的重要贡献。