前言

在我国广袤的平原、河网、圩区上,分布着10多万座固定泵站,为抗御洪涝、干旱等灾害发挥着巨大的作用。此外,在跨流域调水、市政供排水、城市水环境治理等方面也有大量低扬程泵站在运行。每年为农业的灌溉、排涝,抗灾夺丰收,为区域调水、城镇供水、排污、排洪、保障工业生产和居民生活用水发挥着巨大作用,做出了重要贡献。我国在大型泵站的建设、管理和运行方面积累了丰富的经验,但由于研究手段等方面的问题,对影响机组性能的技术基础问题还没有完全掌握,尤其在泵站内部三维流动特性、水力优化设计、性能预测等研究方面的技术储备不能满足南水北调工程要建成21世纪世界一流工程的目标。本书研究正是以该工程为研究背景,同时研究成果对其他泵站更新改造有重要参考价值。

南水北调东线工程泵站具有扬程低、流量大、年运行时间长的特点,通过本项研究,揭示泵站内部流动规律、预测水力性能。研制性能优越的水泵装置形式,可有效提高泵站的可靠性、减少维修费用,最大限度地减少泵站土建工程投资。研究低扬程泵站水流流动特性和水力性能对保证泵站的安全、高效运行具有重要的理论指导意义。本书以流动分析为重点,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,探索泵站内部流动机理、预测水力性能,阐明外特性与内特性的联系。本书的主要结论和创新点如下:

(1)基于紊流数值模拟,全面系统地研究了泵站前池、进水池、进水流道、出水流道及整体泵装置内部流动规律和水力性能。通过与已有实验成果比较,表明计算结果是可信的,采用本书研究方法并与实验研究相结合,可充实、补充实验数据,甚至减少实验工作量。

(2)采用能适应强旋流的RNG k-ε紊流模型对进水池流场和水力性能进行数值模拟研究,提出了根据不同工况下流态情况选取不同的强旋流修正因子。根据开敞式进水池计算的固壁边界等条件,建立了考虑粗糙度的固壁边界简化处理方法。提出了从外特性和内特性两方面进行进水池水力性能优化方法,建立了基于质量加权的流速均匀度目标函数,更科学地判断断面的流速均匀性。通过计算,描述了进水池流场的基本特征。系统总结了不同流量下的进水池内流态、压力分布规律和水力性能。通过紊流计算,分析了池内产生漩涡的位置及其机理。运用数值计算方法,采用了单因素比较的方法系统研究进水池各参数对水力性能及流态的影响。通过对进水池吸水管中各断面轴向流速分布的研究,发现一味增加断面至进水管喇叭口的距离,断面流速分布将发生改变,影响水力性能,纠正了传统认识上的误区。根据对断面各参数的分析研究,确定了水泵名义高度取值。

(3)提出了喇叭管进水流道演化理论,运用数值分析手段进行验证。研究显示各种有压的喇叭管进水流道是在开敞式进水池形式基础上演化而成的,只要控制流道的基本尺寸,就可将各种喇叭管进水的流道统一起来。该理论为泵站进水流道优化设计提供新的思路。全面分析了各种流量下的肘形进水流道流动规律,通过数值模拟,对叶轮名义高度的取值进行了深入研究。提出了优化肘形进水流道应遵循的基本原则:主要结构参数控制在一定的范围,可保证流道良好的水力性能;流道过渡按照各断面平均流速光滑变化进行控制,就能达到肘形进水流道优化的目标。

(4)依据泵站出水流道的水力设计基本要求,建立了出水流道水力性能优化目标:①出水流道效率最高目标,首次引入出水流道效率概念;②出水流道压能回收系数最大目标,首次引入压能回收系数作为出水流道水力性能的重要指标;③出水流道水力损失绝对值最小目标;④出水流道均匀扩散目标,均匀扩散的断面是保证流道内不发生漩涡(涡带)的基本条件。依据上述目标,采用重整化群紊流模型,对双向泵站出水室形式进行了优选。对采用曲线型出水结构的箱涵式出水流道内部流动进行分析,全面分析了出水流道内的流态。

(5)开展泵装置整体数值模拟,采用动静耦合技术处理动静交界面数据传递难题,对包括进水流道、泵段、出水流道在内的复杂泵装置进行三维数值计算,获得了贯流泵、双向泵装置和立式泵装置等3种典型泵装置内部三维流动特性,预测了水力性能,并与实验结果进行了比较,计算结果与实验结果吻合。在整体泵装置计算的基础上,分析了泵装置条件下外特性与内特性的联系。建立了基于泵装置整体黏性计算的性能预测模型。提出了新的低扬程轴流泵装置水力损失分析方法,将泵装置的水力损失分解为转轮导叶损失和进、出水流道损失,给出了新的计算公式。结合某排涝泵站竖井贯流泵进、出水流道优化计算工程实例,采用基于整体泵装置模拟技术分别对出水流道型线,进水流道高度、宽度及型线等多参数进行了优化,提出了综合考虑土建投资和水力性能的进、出流道设计方案。

本书由成立、刘超负责撰写大纲以及全书的统稿和最终定稿工作,颜红勤负责撰写第1章,蒋红樱负责第2章2.6、2.7,第3章和第6章的相关工作。本书相关研究成果得到了“十二五”国家科技支撑计划子课题(2015BAD20B01-02)、“十二五”农村领域国家科技计划子课题(2012BAD08B03-2)、国家自然科学基金(51179167)、江苏省高校自然科学重大项目(12KJA570001)、江苏省高校优势序列学科建设工程、江苏省青蓝工程中青年学术带头人项目、江苏省六大人才高峰计划(2015-JXQC-007)、江苏省产学研前瞻性联合项目(BY2015061-12)、扬州市校合作项目(2014-14)、江苏省水利重点项目(2014-46)、江苏省双创计划(科技)副总类、盐城515领军人才计划、扬州大学拔尖人才计划资助。本书也得到扬州大学出版基金资助。

在本书研究工作中,得到了汤方平、周济人、鄢碧鹏、杨华、金燕、杨帆等领导老师的关心和帮助,并提出了许多中肯意见,对著者启发很大。罗灿协助完成第2章部分研究工作,崔阳、夏臣智、焦伟轩等协助书稿整理校对工作,在此一并表示衷心感谢。

作者　　

2015年11月