泵站进水结构漩涡时空演化特性及安全控制策略

The mechanism of vortex formation and evolution in the intake passage of pump system are greatly complex. As special hydraulic phenomenon in the intake passage, vortices can threaten the safe operation of pump system by inducing hydraulic vibration. It is an urgent problem in the engineering practice to study the vortex phenomenon and seek the effective methods to provent and eliminate the vortices in the passage. In order to investigate characteristics of space-time evolution of vortex and reveal the flow mechanism of formation,evolution and dissipation of the vortex and give volume-3D-velcocity(V3V) filed of vortex changing continuously, the theoretical analysis,numerical simulation of time-varying theory and V3V field measuring technology are comprehensively applied. The multivariate disassemble-aggregation method is used to analyze the influencing factors of vortex formation, which include hydrodynamic condition and boundry factors such as geometry size of intake passage, and entropy-base projection pursuit evaluation model will be established. The correlation of the mechanism of vortex and unit vibration will be obtained by analyzing the experimental data. Based on the experimental studies and theoretical analysis, we will set up an assessment model for the effect of vortex on stable operation of pump unit. Based on the mechanism of vortex formation, safety strategy will be presented and evolution to ensure the safe operation of pump unit. Study on Vortex has an important theoretical significance and applicable value because frontier basic theories of hydrodynamics are involved in the study of the mechanism of vortex in the intake passage of pump system.

泵站进水结构中漩涡的生成和演化非常复杂。作为进水结构中特殊的水力现象，漩涡极易引发水力振动，严重影响机组运行安全。研究漩涡现象并探寻有效的防涡消涡的方法是大量工程实践中提出的迫切需要解决的问题。本项目采用理论分析、时变湍流场数值模拟技术和体三维流场测试技术，研究泵站进水结构内部漩涡时空演化特性，揭示漩涡的发生、发展及耗散的流动机理，给出连续变化的体三维速度场和涡量场。采用多因素分解聚合方法研究分析影响漩涡产生的主要水动力学条件和进水结构的几何尺寸等边界参数，以此构建基于熵的投影寻踪评价模型。研究泵站进水结构内漩涡诱导水力脉动，引发机组振动的机理，从实验数据分析漩涡发生、发展与机组振动相关关系，评价漩涡对机组安全运行的影响。根据漩涡演化机理研究防涡消涡的安全对策，保证机组安全稳定地运行。泵站进水结构中漩涡机理的研究涉及多项水力学的前沿基础理论问题，具有重要的理论意义和应用价值。

采用理论分析、数值模拟技术和体三维激光流场测试技术，深入研究了泵站进水结构旋涡时空演化特性及安全控制措施。通过CFD数值技术模拟了包括泵叶轮在内的进水结构全流场，得到了表面涡和附底涡的形态；采用三维PIV、体三维V3V激光流场测试技术首次获得了水泵进水结构的三维流速场和涡量场，给出了旋涡的三维数字形态，揭示了表面涡和附底涡核心区域内水流圆周分速度具有强迫涡特征的分布规律，数值计算的旋涡核心区域与三维流速测量的旋涡核心区域圆周速度分布规律一致；数值计算的旋涡形态、三维流速测量的旋涡形态与高速摄影捕捉到的物理形态相似。在试验测量和计算结果分析的基础上，揭示了进水旋涡外部形态的“发生—发展—消散”的再现过程对应的内部演化机理是源于奇点区域的旋涡能量“集聚—积累—耗散”的周期性反复。从而得出消涡防涡控制策略的关键所在。涡核中心的数值接近于零，旋涡圆周速度在随着半径的增大而增大，具有强迫涡特征；当增大到一定的程度后又逐渐减小，存在最大值。旋涡圆周速度随着半径变化的规律不随旋涡发展阶段而变化。旋涡在演化的不同阶段，圆周速度分布特征在深度方向的变化基本上是相似的，其最大速度在接近壁面处。采用基于奇点理论和旋涡演化机理的综合分析方法，提出了考虑几何条件和流动特性的喇叭口进水结构综合设计参数-全净空（全壁距），并给出了计算公式和推荐值。采用CFD技术结合脉动测试定量地分析了附底涡对泵站机组安全稳定运行的影响。针对泵站进水条件目标函数不明确的问题，提出了基于流量的单元面积加权流速均匀度的计算方法及准则依据。基于涡管强度守恒定理和进水旋涡演化机理，提出了4种新型有效的消涡装置，试验表明控制旋涡发生的效果明显，其中部分已成功应用于实际泵站工程，取得了很好的效果，经鉴定获得专家一致肯定，建议推广应用。研究成果为保证泵站机组安全稳定运行、解决泵站进水结构内旋涡机理及多项水力学的基础理论问题有重要的意义和工程应用价值。