不同尺度泵装置虹吸式出水系统虹吸形成过程相似机理研究

Siphon outflow system with pump device is based on fluid mechanics siphon principle is used in pumping station, and has been widely applied kinds of pumping station. It plays a significant decisive role in the safe and stable operation which siphon process can be finished in the process of starting, so, the research of time characteristic of the siphon process has an important theoretical value and application value. This project will intend to research the formation process of siphon system Using the methods of theoretical analysis, numerical simulation and model test and field test. To establish the characteristics of siphon stage through the theoretical analysis, measure the flow field structure and the airbag form by means of PIV experiment and numerical simulation, analyze the siphon tube flow structure, running parameters, geometric parameters and time of the influence on the formation siphon pump performance. The law of similarity of siphon process with different scales through the form of universal expression using Froude number, Weber number, and Euler number. Relationship will be given between geometry characteristic, pump performance, and siphon forming time, concluded the experience formula of siphon forming time based on geometric characteristic and pump performance which can eliminate scale effect of the siphon formation time.

泵装置虹吸式出水系统是基于流体力学虹吸原理广泛应用于泵站工程中的一种出水断流装置，泵机组启动过程中能否短时间内形成稳定虹吸对泵站安全稳定运行起着决定性作用，因此对虹吸形成过程特性开展研究具有重要的理论意义和应用价值。采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场测试相结合的研究方法，对不同尺度泵装置虹吸形成过程进行精细模拟和对比分析。理论分析确立虹吸形成过程的特征阶段和特征量；数值模拟和PIV及高速摄影实验量测虹吸管内流场结构和气囊形态及其演化过程，定量分析虹吸管内流动结构、几何参数以及泵性能对虹吸形成过程的影响；减压箱模型试验和泵站现场测试建立不同尺度泵装置之间虹吸形成过程与弗劳德数、韦伯数、欧拉数之间的相似律普适表达式，得出泵装置几何特征量-泵性能-虹吸形成时间之间的耦合关系，提出消除不同尺度泵装置虹吸形成时间比尺效应，基于泵装置虹吸式出水系统几何特征量和泵性能条件下的虹吸形成时间经验公式。

虹吸式出水流道因其便捷、安全的断流性能在泵站工程中逐渐得到采用。然而虹吸形成时间过长或不能形成虹吸，会造成扬程偏高、机组振动等危害，影响泵站的安全、高效运行。因此，对虹吸形成过程特性及原模型相似规律开展研究具有重要的理论意义和应用价值。本项目采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场测试相结合的研究方法，对不同尺度泵装置虹吸形成过程中的水气运动机理、虹吸形成时间及其原模型相似、水力特性及性能优化方面进行了系统研究。主要研究成果包括：.（1）建立虹吸形成过程复杂气液运动数值模拟计算方法。考虑气体可压缩性，模拟压力变化下气团压缩释放的虹吸形成过程。分析形成过程中气囊形态变化、水气交界面及气泡流动。.（2）构建了虹吸式出水流道物理模型试验平台，结合高速摄影技术，PIV量测技术，研究了虹吸形成过程的气液两相流动、水气交界面运动特性，水舌、气囊形态及气囊产生机理。分析了虹吸式出水流道虹吸形成过程的关键因素，揭示了虹吸式出水流道虹吸形成的内在机理，阐明了滞留气团在虹吸形成过程中的水气运动规律。.（3）开展了不同环境压力下虹吸形成过程相似机理研究，揭示不同压差环境条件下欧拉数对虹吸形成时间的影响，确定韦伯数和欧拉数对虹吸形成时间的影响以及两者所占的比重。分析不同尺度虹吸式出水管虹吸形成时间规律，在满足几何相似、重力相似以及压差系数相等的虹吸式出水管模型装置，得出了虹吸形成时间原型模型中比尺关系。.（4）确定了虹吸形成的关键参数，提出了虹吸形成时间的经验公式。使用量纲分析法分析了虹吸形成过程中的关键参数对虹吸形成时间影响规律，给定了临界流量条件及虹吸无法形成的关键参数的无量纲范围，最终拟合了虹吸形成时间的经验公式。.（5）构建了虹吸式出水流道体型参数多目标优化系统，能显著提升虹吸式出水流道水力性能，为优化虹吸式出水流道体型设计提供技术支持，为实际工程虹吸式出水流道的结构参数选择提供理论依据。