基于鱼形颗粒群追踪的贯流泵鱼类撞击损伤特性模拟研究

作     者：史科航 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张德胜;潘强

授予年度：2023年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：数值模拟 CFD-DEM 鱼友好型贯流泵 鱼类存活率 撞击力 

摘      要：低扬程贯流泵是大型泵站最核心的动力设备,直接影响系统能否高效稳定运行。近年来,我国重点开展了南水北调、引江济淮、一带一路等大型泵站群建设工程,大多采用了低扬程泵装置,然而在其运行过程中对鱼类的通过并不友好,大量鱼类与过流部件撞击导致损伤或死亡。为了降低鱼类的过泵损伤,本文深入研究了鱼类通过贯流泵的撞击损伤特性,分析鱼体与叶片撞击过程鱼体速度、曳力、撞击力的变化,得出鱼体与叶片前缘厚度L/d=1.4～2鱼体的撞击受力阈值,统计鱼体过泵的撞击概率及鱼体撞击受力分布特性,可为鱼类友好型水力机械优化设计提供参考依据。本文开展的主要研究内容和创新成果如下:(1)基于CFD-DEM耦合方法,修改了耦合接口代码优化了曳力计算模型,该接口考虑到模拟中鱼形颗粒内会同时存在多个网格,通过选取鱼形颗粒质心周围多个点的流场速度进行矢量平均,利用多个网格的流体的平均速度来插值颗粒处流场的流体速度,能够得到较为准确的颗粒与流场的滑移速度,提高了曳力计算的精度。(2)分析了撞击速度、叶片前缘倾角、鱼体长度与叶片前缘厚度之比L/d对鱼体与叶片撞击的运动行为及受力损伤的影响。结果表明:鱼体碰撞产生的撞击损伤与鱼体受到的撞击力大小有关,减小叶片前缘倾角、减小鱼体撞击速度、增大叶片前缘厚度,可降低鱼体与叶片前缘碰撞受力来降低鱼体的受力损伤。对不同条件下鱼体与叶片前缘撞击过程的受力极值进行统计,与Amaral鱼类撞击试验结果进行对比验证,得出L/d=1.4～2鱼体的撞击死亡阈值为2443N。模拟统计与鱼类撞击试验得到的鱼类死亡率保持较高的一致性。(3)研究了不同过流部件、不同鱼体撞击部位、不同叶片前缘撞击点的鱼类在贯流泵的设计工况下的过泵损伤及运动受力。结果表明:鱼体通过叶轮部件时受到的平均撞击力最大,撞击损伤最严重,通过导叶部件的鱼体运动轨迹变化最小,通过灯泡体部件鱼体受到平均撞击力最小,鱼体损伤最轻。统计鱼体受力极值计算得出L/d=1.4条件下鱼类通过叶轮部件的撞击存活率为66.7%;鱼类通过导叶、灯泡体部件的撞击存活率接近100%,叶轮部件是导致鱼类撞击损伤和死亡的最主要部件,其中鱼体与靠近轮缘处叶片前缘碰撞产生的撞击力最大。分析了不同L/d的鱼体在初设叶轮方案贯流泵的设计工况下的鱼体损伤,对鱼体通过所有过流部件的撞击概率、撞击受力极值进行统计,结果表明:泵站来流中鱼体尺度越大,鱼体与叶片撞击概率越高;随着L/d的变大,鱼体与贯流泵的所有过流部件发生碰撞的概率提高,鱼体与所有过流部件碰撞的平均撞击力变大,其中L/d=5.6的鱼体撞击受力超过2443N在叶轮部件的占比最大,鱼体损伤最严重。(4)分析了贯流泵设计工况下不同叶轮优化方案对鱼类撞击损伤的影响。对不同方案鱼体过泵的受力极值、鱼体发生碰撞的撞击概率进行统计,结果表明:保持叶片数以及贯流泵运行工况相同时,鱼类与不同的过流部件发生碰撞的撞击概率基本相同。在叶轮优化设计的四个方案中,效率最优方案叶轮碰撞鱼体产生的平均撞击力最大,鱼体损伤最严重;过鱼性能最优方案叶轮碰撞鱼体产生的平均撞击力最小,鱼体损伤相对最小。效率最优方案的鱼类撞击受力小于2443N的占比为41.7%,过鱼性能最优方案的鱼类撞击受力小于2443N的占比66.6%。通过叶片的优化设计可以降低鱼类与叶轮叶片前缘的撞击力从而降低鱼类通过叶轮部件的撞击损伤。(5)探究了贯流泵运行工况变化对鱼类撞击损伤特性的影响。不同叶轮设计方案、不同贯流泵工况的统计结果表明:随着贯流泵流量变大,鱼体与叶轮的撞击概率降低,撞击受力平均值变大,在大流量工况下贯流泵的过鱼性能较强;随着贯流泵转速增加,鱼体与叶轮部件撞击概率提高,撞击受力变大,鱼体受到的撞击损伤加重,贯流泵的低转速工况对鱼类更友好。