泵站進水結構漩渦時空演化特性及安全控制策略

《泵站進水結構漩渦時空演化特性及安全控制策略》是依託揚州大學，由劉超擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：泵站進水結構漩渦時空演化特性及安全控制策略
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉超
• 依託單位：揚州大學

項目摘要

泵站進水結構中漩渦的生成和演化非常複雜。作為進水結構中特殊的水力現象，漩渦極易引發水力振動，嚴重影響機組運行安全。研究漩渦現象並探尋有效的防渦消渦的方法是大量工程實踐中提出的迫切需要解決的問題。本項目採用理論分析、時變湍流場數值模擬技術和體三維流場測試技術，研究泵站進水結構內部漩渦時空演化特性，揭示漩渦的發生、發展及耗散的流動機理，給出連續變化的體三維速度場和渦量場。採用多因素分解聚合方法研究分析影響漩渦產生的主要水動力學條件和進水結構的幾何尺寸等邊界參數，以此構建基於熵的投影尋蹤評價模型。研究泵站進水結構內漩渦誘導水力脈動，引發機組振動的機理，從實驗數據分析漩渦發生、發展與機組振動相關關係，評價漩渦對機組安全運行的影響。根據漩渦演化機理研究防渦消渦的安全對策，保證機組安全穩定地運行。泵站進水結構中漩渦機理的研究涉及多項水力學的前沿基礎理論問題，具有重要的理論意義和套用價值。

結題摘要

採用理論分析、數值模擬技術和體三維雷射流場測試技術，深入研究了泵站進水結構旋渦時空演化特性及安全控制措施。通過CFD數值技術模擬了包括泵葉輪在內的進水結構全流場，得到了表面渦和附底渦的形態；採用三維PIV、體三維V3V雷射流場測試技術首次獲得了水泵進水結構的三維流速場和渦量場，給出了旋渦的三維數字形態，揭示了表面渦和附底渦核心區域內水流圓周分速度具有強迫渦特徵的分布規律，數值計算的旋渦核心區域與三維流速測量的旋渦核心區域圓周速度分布規律一致；數值計算的旋渦形態、三維流速測量的旋渦形態與高速攝影捕捉到的物理形態相似。在試驗測量和計算結果分析的基礎上，揭示了進水旋渦外部形態的“發生—發展—消散”的再現過程對應的內部演化機理是源於奇點區域的旋渦能量“集聚—積累—耗散”的周期性反覆。從而得出消渦防渦控制策略的關鍵所在。渦核中心的數值接近於零，旋渦圓周速度在隨著半徑的增大而增大，具有強迫渦特徵；當增大到一定的程度後又逐漸減小，存在最大值。旋渦圓周速度隨著半徑變化的規律不隨旋渦發展階段而變化。旋渦在演化的不同階段，圓周速度分布特徵在深度方向的變化基本上是相似的，其最大速度在接近壁面處。採用基於奇點理論和旋渦演化機理的綜合分析方法，提出了考慮幾何條件和流動特性的喇叭口進水結構綜合設計參數-全淨空（全壁距），並給出了計算公式和推薦值。採用CFD技術結合脈動測試定量地分析了附底渦對泵站機組安全穩定運行的影響。針對泵站進水條件目標函式不明確的問題，提出了基於流量的單元面積加權流速均勻度的計算方法及準則依據。基於渦管強度守恆定理和進水旋渦演化機理，提出了4種新型有效的消渦裝置，試驗表明控制旋渦發生的效果明顯，其中部分已成功套用於實際泵站工程，取得了很好的效果，經鑑定獲得專家一致肯定，建議推廣套用。研究成果為保證泵站機組安全穩定運行、解決泵站進水結構內旋渦機理及多項水力學的基礎理論問題有重要的意義和工程套用價值。