低扬程水泵装置水力特性换算与性能预测研究

论文摘要

本文系水利部科技创新项目“低扬程泵站原模型水力特性换算研究（SCX2003-12）”、国家自然科学基金项目“低扬程大泵站过渡过程特性（50279045）”、江苏省水利厅项目“泵站水力模型选择与装置研究”、江苏省水利厅项目“南水北调宝应泵站流量及起动过渡过程现场测试研究”和上海市项目“上海浦东国际机场薛家泓泵站泵装置模型试验研究”等课题部分研究成果。 水力机械模型试验不仅是了解水力机械特性的最重要手段，而且是构建水力特性原模型换算的重要基础。国内外大量的水力机械模型试验成果大多针对泵段特性或是低比转速泵而言，而对低扬程泵装置（由泵体及进出水流道等组成）特性尤其是针对其原模型水力学特性换算的试验研究很少见到报道。南水北调东线一期工程从长江至山东东平湖输水沿途设13个梯级，共34座泵站，装机容量131050kW，装机流量1468m3／s，还将新建13处2l座泵站，装机容量233540kW，装机流量2976.4 m3／s。在南水北调东线一期工程中，装机容量364590kW，总装机流量4444.4 m3／s的固定泵站均为低扬程大型泵站。此外，在其它跨流域调水、市政供排水等方面，还有大量低扬程泵站在运行。这些水利工程设施为区域调水、城镇供排水、保障工农业生产和居民生活作出了重要贡献。为了预测大型低扬程泵站工程长期稳定运行性能，有必要对低扬程泵站原模型水力特性换算进行理论及试验研究。 低扬程泵装置原模型效率换算问题复杂，涉及因素多难以圆满解决，是低扬程泵站研究中重要课题之一，与泵站工程长期稳定与安全经济运行密切相关，研究其水力换算特性无疑具有重要的理论价值与工程实践意义。但近代流体力学理论（湍流模式理论）至今还不很成熟，许多大型泵站工程兴建为水力特性换算理论研究带来了严峻的挑战，当前低扬程泵站水力特性理论研究仍是泵站工程研究中的难点和热点问题之一。鉴于此，本文从泵装置中各水力损失理论分析、内流场测试、CFD数值模拟、泵装置模型试验、泵装置原型现场测试等方面对低扬程泵装置原模型效率换算作深入研究，并将针对低扬程泵装置原模型水力特性换算的研究成果运用到重大水利工程——南水北调东线工程实践中，以解决实际问题： 本文主要研究工作集中在如下几个方面： （1） 基于在水力机械试验台上得到的不同工况下泵装置水力学特性试验结果，分析了水力模型特性与尺寸、流态、转速、雷诺数、内摩擦系数等之间的关系，采用湍流模式理论，考虑微元体以及水体能量与尺寸之间的非线性关系，建

论文目录

• 前言
• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 水泵装置水力特性换算研究进展
• 1.3 水泵装置性能预测研究进展
• 1.3.1 水泵装置试验设备和试验方法评述
• 1.3.2 水泵装置损失分析实验计算研究进展
• 1.3.3 神经网络在水泵装置性能预测中应用
• 1.3.4 粒子图像测速（PIV）技术在泵装置内流场测试中应用
• 1.4 水泵装置水力特性换算及性能预测研究中存在的不足
• 1.4.1 目前我国水泵装置模型试验存在的问题
• 1.4.2 水泵装置水力特性换算存在的不足
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 论文研究方法、技术路线及试验方案
• 1.6.1 论文研究方法
• 1.6.2 论文技术路线
• 1.6.3 论文试验方案
• 1.7 论文主要创新点
• 第二章 低扬程泵装置水力特性换算理论研究
• 2.1 低扬程泵装置效率公式
• 2.1.1 低扬程泵装置效率公式表达
• 2.1.2 非最优工况效率换算公式
• 2.2 泵性能换算研究理论分析
• 2.2.1 模型试验相似理论
• 2.2.2 效率换算分析
• 2.3 泵装置效率换算与参数修正
• 2.4 低扬程水泵装置效率换算方法的理论研究
• 2.4.1 常用效率换算公式近似性分析
• 2.4.2 泵体内不同类型水力损失计算分析
• 2.4.3 泵体内水流处于阻力平方区时的水力损失分析
• 2.4.4 综合效率换算研究
• 2.5 雷诺数对低扬程水泵效率换算影响研究
• 2.5.1 泵的效率换算公式
• 2.5.2 泵装置中雷诺数与指数的关系分析
• 2.6 低扬程泵装置性能参数换算方法
• 2.6.1 原模型泵装置容积效率换算分析
• 2.6.2 原模型泵装置流动效率换算分析
• 2.6.3 原模型泵装置机械效率换算分析
• 2.6.4 原模型泵装置总效率换算
• 2.6.5 水泵装置性能参数换算公式中指数的确定
• 2.7 本章小结
• 第三章 泵体内能量损失及泵装置效率换算研究
• 3.1 泵体内能量损失分析及相似研究
• 3.2 泵效率表达式理论研究
• 3.3 泵效率公式常数计算和换算
• 3.4 低扬程泵装置水力损失表达及换算
• 3.5 低扬程泵装置流道水力损失计算方法
• 3.6 低扬程泵装置代表性流道段水力损失估算
• 3.7 典型低扬程泵装置及其流道阻力系数
• 3.8 低扬程泵装置效率表达及效率常数计算
• 3.9 本章小结
• 第四章 基于BP神经网络泵及泵装置性能预测研究
• 4.1 泵及泵装置性能预测研究意义
• 4.2 低扬程泵装置流道损失试验研究
• 4.2.1 低扬程泵装置典型流道及特点
• 4.2.2 流道损失试验研究的意义及装置设计
• 4.2.3 试验设备及测试方法
• 4.3 基于三维粘性流动的流道水力特性数值模拟（CFD）
• 4.3.1 控制方程与湍流模型
• 4.3.2 数值模拟计算模型
• 4.3.3 数值模拟及计算结果分析
• 4.4 基于BP人工神经网络的水泵性能预测研究
• 4.4.1 神经网络的基本原理
• 4.4.2 误差逆传播（BP）神经网络
• 4.4.3 基于神经网络泵及泵装置动力特性预测算例
• 4.5 本章小结
• 第五章 算例及工程应用
• 5.1 工程概况
• 5.2 南水北调某泵站泵装置水力特性模型试验
• 5.2.1 模型泵装置测试系统
• 5.2.2 模型泵装置试验台效率综合误差分析
• 5.2.3 泵装置原模型性能换算分析
• 5.2.4 试验结果
• 5.3 南水北调某泵站水泵稳态流量现场测试
• 5.3.1 测流断面的选择
• 5.3.2 RCPD型流量计测流原理
• 5.3.3 RCPD型流量计准确度标定
• 5.3.4 稳态流量测试方法
• 5.4 泵站流量现场测试结果分析
• 5.5 测试结果分析
• 5.6 用“黑箱法”进行原模型泵装置水力特性换算研究
• 5.6.1 “黑箱法”水力特性换算理论分析
• 5.6.2 “黑箱法”水力特性换算工程实例
• 5.6.3 “黑箱法”换算方法几点认识
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 泵及泵装置水力特性换算研究总结
• 6.2 本课题尚待解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的主要学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 鉴定与获奖情况