大型贯流泵站全过流系统三维过渡过程水力特性与激振机理研究

Large tubular pumping stations are widely used in inter-basin water transfer and agricultural irrigation, and thus thorough science research should be carried out to ensure the reliability and stability of safe operation. The application aims to, with the approach combined with theory analysis, numerical simulation, model and field test, realize the objective of finding out the hydraulic characteristics and excitation mechanism of 3D turbulence transient process in large tubular pumping station’s whole flow system. To be specific, research will focus on analyzing the calculation methodology of 3D transient, processing method of moving boundary and changeable area, perfecting the mathematical model of 3D transient, comparing model and field test, revealing distribution, pulsing information and transient pattern of 3D dynamic velocity and pressure. Furthermore, research will also target finite element calculation on fluid-structure interaction of hydro excitation, perfecting processing method of acyclic moving boundary, comparing model test with field one，revealing the mechanism of dynamic behavior and hydro excitation in transient process. Expectantly, the research will provide scientific basis for gathering information about internal flow characters of transient process in tubular Pumping Station’s Whole Flow System, reducing pressure pulsing, refining vibration characteristics, improving operation stability.

大型贯流泵站广泛应用于跨流域调水、区域性农业灌溉等领域，为保证其安全、可靠和稳定运行，需要对其进行深入的科学研究。本申请以大型贯流泵站全过流系统为研究对象，以理论分析、数值模拟、模型试验和真机测试为研究手段，旨在揭示其三维湍流过渡过程中水力特性与探究其水力激振机理。研究贯流泵站全过流系统三维过渡过程计算方法与动边界、变区域计算处理方法，完善其三维过渡过程数学模型，对比模型试验与真机测试，揭示其过渡过程中动态流速、压力分布与脉动信息以及瞬变规律,探索其模型与原型过渡过程压力脉动比尺关系；研究泵站全过流系统过渡过程流固耦合水力激振有限元计算方法，完善其非周期性动边界有限元模型，对比运行工况，分析其结构响应分布与变化差异；对比真机测试，揭示其过渡过程中结构动态响应与水力激振机理。为获取贯流泵站全过流系统过渡过程细部流动特征，降低流场压力脉动，改善结构振动特性，提高运行稳定性，提供有力的科学依据。

随着我国泵站向大型化、高速化发展，泵站的稳定性问题也越来越多，对大型泵装置的稳定性研究显得尤为重要和迫切。而目前，对于贯流泵装置的结构稳定性和非定常流动特性的研究尚不够深入。本项目以数值模拟为主要手段辅以试验验证和理论分析，着重研究了贯流泵装置叶轮叶片流固耦合结构响应特性；研究了含有附加拍门闸门的贯流泵全过流系统起动三维过渡过程水力特性;研究了贯流泵飞逸三维过渡过程的流动特性。主要工作和成果如下：.1.建立了重力场作用下贯流泵装置流体域与旋转叶轮单叶片的固体域双向流固耦合求解方法，研究了叶片表面水压力分布和叶片等效应力分布趋势。通过建立跟随叶轮叶片运动的旋转坐标系与空间静止坐标系的对应关系，揭示了在不同扬程工况下，叶片结构应力特性于一个逆时针的旋转周期内出现明显的先增大后减小的波动趋势。同时引入无量纲应力系数，发现叶片进出水边等效应力波动大于叶片中部。.2.提出一种叶轮叶片根部“非对称结构”的加厚方法，研究了不同叶片根部加厚方案对叶片根部应力集中的改善效果。通过对不同加厚方案结果的对比发现，此加厚方法可以在较小影响泵装置水力性能的前提下有效缩小叶轮叶片应力集中范围和降低其最大等效应力值。同时设计了当贯流泵运行时，在水中对旋转叶轮叶片的表面应力特性进行测量的真机试验方法，数值模拟结果与试验结果一致。.3.利用力矩平衡方程推导叶轮实时转速，基于动网格技术实现含有附加拍门的出水流道闸门运动规律的指定，实现了贯流泵全过流系统起动三维过渡过程的数值模拟。通过分析贯流泵在开机过程中外特性参数的变化规律和内部流场的演变过程，揭示了贯流泵起动过程三维瞬变机理。结果表明含有附加拍门的出水流道闸门可以有效的降低起动过程中的最大扬程，以增加机组的稳定性。数值模拟结果与试验结果吻合。.4.通过轴伸贯流泵停机飞逸三维过渡过程数值模拟，揭示断电停机过程中流场中内外特性参数变化规律。比对纯流体停机过程与考虑流固耦合停机过程外特性的变化，阐述考虑流固耦合效应下流量等外特性参数降低滞后于纯流体外特性参数的机理。