泵装置模型试验模拟方法分析_水利与能源动力工程学院.ppt

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1、《泵装置模型试验模拟方法研究》陈松山一、泵装置模型试验模拟方法分析意义模型试验是科学研究的重要方法之一自然界是一纷繁复杂的物质系统，大系统中又包含着许多子系统，各系统按其一定的规律进行着不同的变化过程，从而呈现出多姿多彩的物质世界。科学研究工作者就是要探求系统外在表现之间相互隐含客观存在规律。为了描述系统变化的属性（特征），需定义与此现象相关的参数，这样，探求现象的规律体现为探求参数之间相互关系。自然科学之研究方法一般可划分为：严密的理论表述近现代数值计算试验研究三种方法比较（1）基于已有或已建理论体系的理论表述方法的推演严密，其解是连续的。但当理论受自身应用域限制或仍未出现相

2、应可用理论时，理论表述受到很大的局限。（2）数值计算是随计算方法科学、计算工具的发展而形成一种研究方法，它主要是在现象发生域内求解有限个离散点上的参数值，其描述的准确性很大程度上取决于所采用方程的正确性、离散误差和计算误差。（3）试验研究试图直接探测研究系统或者缩小（放大）研究域描述参数，一般所得结果是离散的，其描述的准确性很大程度上测试手段、测试方法、测试仪器、模型现象对原型现象的重现性。工程应用的现实意义随着南水北调东线一期工程开工建设及流域治理、城市防洪工程等项目的实施，大批大型泵站在建或即将建设；上世纪六七十年代建设的数百座泵站设备老化需更新、原进出水流道需改造优化。而

3、泵装置模型试验作为大型泵站工程建设和更新改造中泵水力模型优选、进出水流道水力优化设计、泵装置动力性能预测、安全可靠性的重要手段与依据，在国内外已普遍采用。泵装置模型试验要求模型、原型相似，即符合动力系统的几何相似、运动相似和动力相似，原型和模型在几何相似基础上需满足一定的相似准则。系统分析原、模型泵装置的相似性对模型正确设计及由模型现象合理推知原型现象具有重要意义。二、泵装置模型试验模拟方法动力特性试验模拟方法质量力有势的兰姆形式的Navier—Stokes方程：（1）式中为速度矢量；；质量力当流动恒定且为充分湍流时，对兰姆方程进行相似变换可得：（2）式中、、分别为单位质量液体

4、总能头差、测压管差比尺和速度比尺。由泵扬程和泵装置扬程定义，即进、出口两特征断面单位重量液体的总能头差，结合式（2），并取，则有：（3）两相似体系运动相似则原、模型泵内对应点速度三角形几何相似，且速度矢量平行，则有：（4）式中、、、为叶轮相对速度、圆周速度比尺、转速比尺和叶轮直径比尺。设，由式（3）得：、（5）上式实际上为欧拉数的另一表示形式；结合式（3）对泵装置而言又有：（6）对几何相似的流动，原型和模型局部阻力系数相等。要使式（6）成立，就要求原型和模型的沿程阻力系数相等，即沿程阻力相似，。若模型雷诺数满足（为原型雷诺数；为过渡粗糙区和粗糙区分界点雷诺数），沿程阻力系数可用

5、谢才系数表达，谢才系数用曼宁公式，要满足沿程阻力相似，则：（7）式中、为谢才系数比尺和曼宁糙率系数比尺。泵装置的水力损失系数的比尺：（8）综合上述分析，不难得出结论：对泵装置动力特性试验，若不考虑具有自由面的前池、出水池对泵装置影响，原、模型几何相似，边界条件相似，流动处于粗糙区，若糙率比尺满足式（7）时，相似准则欧拉数自动满足，原、模型水流相似。实际工程中，有时需研究部分机组运行或侧向进水时，前池的流态及其对泵装置性能影响。模型前池需开敞，流态亦需模拟。泵装置部分的模拟如上述结论，前池模拟可从明渠恒定渐变流方程分析得出，（9）上式表明，前池流态相似要求佛汝德数，同时阻力相似。

6、全模拟前池和泵装置时，由式（8）结合式（4），得模型泵转速比尺：（10）分析至此，泵装置动力特性模拟从理论上是得到了解决，但实际模型试验仍存在下述问题和困难：（1）雷诺数表述不明确，不同特征流速和特征尺度，其雷诺数差异较大；过渡粗糙区和粗糙区分界点雷诺数的数值缺乏依据，采用圆管流的不准确。（2）几何相似要求所有空间尺度按换算，但模型泵叶片与轮毂间隙几何尺度比尺不可能等于，几何相似存在近似性。（3）糙率比尺难于全满足式（7）。轴流（混流）模型泵叶轮材质一般为青铜，原型现广泛数控加工的不锈钢，原、模型糙率相近；进、出水流道沿程阻力也很难严格相似，但对于进、出水流道不是太长，局部阻力

7、远大于沿程阻力时，糙率比尺应允许偏离。（4）泵装置机械约束边界条件不相似。模型泵轴承常采用滚动轴承，而原型多采用橡胶轴承或油轴承；模型泵的填料涵与原型泵的填料涵不模拟等。（5）模拟前池流态受试验台条件限制，模型比尺不能过大，而且按式（9）确定的模型泵转速低，水流粗糙区条件难满足等。泵装置汽蚀特性试验模拟方法不考虑水体空泡核和溶解空气浓度对水泵汽蚀影响，按连续介质流，水泵汽蚀基本方程：(11)式中为泵叶轮中心的淹没深度；叶片压力最低点压力；为进水水力损失；、为系数。当（12）式中下标P、m分别