基于CFD的混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流特性深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在全球能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整和優(yōu)化的大背景下，水力發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，在電力生產(chǎn)領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位?；炝魇剿啓C(jī)作為水力發(fā)電的核心設(shè)備之一，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、適用水頭范圍廣（20-700米的中高水頭）以及單機(jī)容量大（從幾十千瓦到百萬千瓦）等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大中小型水電站，尤其是50-400米中水頭的大中型水電站建設(shè)領(lǐng)域。例如，舉世矚目的三峽水電站，總裝機(jī)容量位居全球第一，采用的便是單機(jī)功率70萬千瓦的混流式水輪機(jī)；而白鶴灘水電站，總裝機(jī)容量全球第二，其單機(jī)功率更是高達(dá)100萬千瓦，這一全球最大的混流式水輪機(jī)由我國(guó)東方電機(jī)自主研發(fā)生產(chǎn)，彰顯了我國(guó)在該領(lǐng)域的強(qiáng)大研制能力。泵板結(jié)構(gòu)作為混流式水輪機(jī)的關(guān)鍵組成部分，位于轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間，其合理布置對(duì)于水輪機(jī)的性能優(yōu)化具有多方面的重要意義。一方面，能夠有效減小軸向水推力，降低機(jī)組能耗，從而提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性；另一方面，通過頂蓋排水管，可在蓋板上方獲取較為清潔的水源，為機(jī)組的正常運(yùn)行提供必要的冷卻和潤(rùn)滑等用水，保障機(jī)組的可靠運(yùn)行。然而，泵板結(jié)構(gòu)上半部分固定，下半部分隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這就不可避免地在兩者之間存在一定間隙。在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，部分水流會(huì)通過該間隙泄漏至轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的空腔流道內(nèi)，這不僅會(huì)影響水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，還可能引發(fā)一系列其他問題。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，許多水電站位于多泥沙河流流域，如新疆的紅山嘴水電站地處泥沙含量較高的瑪納斯河。當(dāng)含沙水流通過水輪機(jī)時(shí)，泥沙顆粒與水輪機(jī)內(nèi)部壁面相互作用，會(huì)對(duì)過流部件表面造成磨損，導(dǎo)致材料損耗、表面粗糙度增加，進(jìn)而破壞過流部件的原有形狀和尺寸精度。這不僅會(huì)降低水輪機(jī)的水力性能，使機(jī)組效率下降、出力減少，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇、噪聲增大，甚至影響機(jī)組的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)，縮短水輪機(jī)的使用壽命，增加設(shè)備維護(hù)成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）作為一種強(qiáng)大的數(shù)值模擬工具，在流體力學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展?；贑FD方法，能夠?qū)炝魇剿啓C(jī)內(nèi)部復(fù)雜的水沙兩相流動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬和分析，獲取傳統(tǒng)試驗(yàn)方法難以測(cè)量的流場(chǎng)信息，如壓力分布、速度分布、泥沙濃度分布以及固液兩相之間的相互作用等。這為深入理解水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)機(jī)制，揭示泥沙磨損的機(jī)理和規(guī)律提供了有力的手段，有助于優(yōu)化水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，提高其抗泥沙磨損能力，保障水輪機(jī)在含沙水流環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效運(yùn)行。因此，開展基于CFD的混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性研究，對(duì)于提升水輪機(jī)的性能和可靠性，推動(dòng)水力發(fā)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的研究領(lǐng)域，國(guó)外起步相對(duì)較早。早期，研究主要集中在理論分析和物理模型試驗(yàn)方面。通過建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行理論推導(dǎo)，試圖揭示其基本的流動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，開展了大量的物理模型試驗(yàn)，通過對(duì)模型水輪機(jī)的性能測(cè)試和流場(chǎng)觀測(cè)，獲取了許多寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。例如，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，在水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及運(yùn)行穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了深入研究，取得了一系列重要成果，推動(dòng)了混流式水輪機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的興起，國(guó)外學(xué)者開始將CFD技術(shù)應(yīng)用于混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的研究中。通過數(shù)值模擬的方法，能夠更加詳細(xì)地分析水輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的三維流場(chǎng)，獲取傳統(tǒng)試驗(yàn)方法難以測(cè)量的流場(chǎng)信息，如壓力分布、速度分布、流線形態(tài)以及能量損失等。例如，[國(guó)外學(xué)者姓名1]利用CFD軟件對(duì)混流式水輪機(jī)的全流道進(jìn)行了數(shù)值模擬，深入研究了不同工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性，分析了尾水管渦帶的產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，為水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性提供了理論支持；[國(guó)外學(xué)者姓名2]通過CFD模擬研究了混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上的壓力分布和速度矢量，探討了葉片形狀對(duì)水輪機(jī)性能的影響，為葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。在水沙兩相流動(dòng)特性的研究方面，國(guó)外也開展了相關(guān)工作。部分學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了含沙水流對(duì)水輪機(jī)過流部件的磨損規(guī)律和影響因素。他們發(fā)現(xiàn)，泥沙顆粒的粒徑、濃度、速度以及水流的流態(tài)等因素都會(huì)對(duì)磨損產(chǎn)生重要影響。通過建立磨損模型，能夠預(yù)測(cè)水輪機(jī)過流部件的磨損程度，為水輪機(jī)的抗磨設(shè)計(jì)提供依據(jù)。例如，[國(guó)外學(xué)者姓名3]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同泥沙粒徑和濃度下混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的磨損情況，建立了基于泥沙沖擊的磨損模型，該模型考慮了泥沙顆粒的動(dòng)能和沖擊角度等因素，能夠較好地預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)輪的磨損分布；[國(guó)外學(xué)者姓名4]利用CFD方法對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部的水沙兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合磨損模型分析了導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的磨損特性，提出了相應(yīng)的抗磨措施。國(guó)內(nèi)對(duì)于混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的研究也在不斷深入和發(fā)展。早期，國(guó)內(nèi)主要借鑒國(guó)外的研究成果和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，開展了一些基礎(chǔ)理論研究和模型試驗(yàn)工作。隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)水輪機(jī)性能的要求不斷提高，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始加大對(duì)混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的研究力度，逐漸形成了自己的研究特色和方法體系。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)理論進(jìn)行了深入探討，提出了一些新的理論和方法，如基于流場(chǎng)分析的水輪機(jī)性能預(yù)測(cè)方法、考慮多物理場(chǎng)耦合的水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算方法等，為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在CFD技術(shù)應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作。利用CFD軟件對(duì)混流式水輪機(jī)的全流道、局部流道以及關(guān)鍵部件（如轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、尾水管等）進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同工況下的內(nèi)部流動(dòng)特性，分析了水力損失、壓力脈動(dòng)、空化空蝕等問題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。例如，[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名1]利用CFD軟件對(duì)某混流式水輪機(jī)的全流道進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同工況下的壓力分布和速度場(chǎng)，通過對(duì)比分析提出了優(yōu)化導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片形狀的方案，提高了水輪機(jī)的效率和穩(wěn)定性；[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名2]對(duì)混流式水輪機(jī)尾水管內(nèi)的非定常流動(dòng)進(jìn)行了CFD模擬，分析了尾水管渦帶的特性及其對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響，提出了通過優(yōu)化尾水管結(jié)構(gòu)來減弱渦帶強(qiáng)度的方法。在水沙兩相流動(dòng)特性研究方面，由于我國(guó)許多河流含沙量較高，水輪機(jī)的泥沙磨損問題較為突出，因此國(guó)內(nèi)在這方面的研究也取得了豐碩的成果。通過實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬以及理論分析等方法，深入研究了水輪機(jī)內(nèi)部水沙兩相流的流動(dòng)特性、泥沙磨損機(jī)理和規(guī)律，提出了一系列有效的抗磨措施和技術(shù)。例如，[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名3]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同泥沙條件下混流式水輪機(jī)過流部件的磨損情況，分析了磨損的主要影響因素，提出了采用表面防護(hù)涂層和優(yōu)化過流部件結(jié)構(gòu)等抗磨措施；[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名4]利用CFD方法對(duì)混流式水輪機(jī)內(nèi)部的水沙兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了泥沙濃度和粒徑對(duì)流動(dòng)特性和磨損的影響，建立了考慮泥沙沉降和團(tuán)聚的水沙兩相流模型，提高了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。然而，現(xiàn)有研究在混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性方面仍存在一些不足。一方面，對(duì)于泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)制和固液兩相相互作用的研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。現(xiàn)有研究大多集中在水輪機(jī)主流道的水沙兩相流動(dòng)，對(duì)泵板結(jié)構(gòu)這一局部區(qū)域的關(guān)注較少，導(dǎo)致對(duì)泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)還不夠全面和深入。另一方面，在數(shù)值模擬方面，雖然CFD技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)有的數(shù)值模型和計(jì)算方法在處理泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)時(shí)還存在一定的局限性，如對(duì)泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、碰撞和團(tuán)聚等現(xiàn)象的模擬還不夠準(zhǔn)確，計(jì)算精度和效率有待進(jìn)一步提高。此外，在實(shí)驗(yàn)研究方面，由于泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間狹小，測(cè)量難度較大，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，難以對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行有效的驗(yàn)證和補(bǔ)充。針對(duì)以上不足，本文將基于CFD方法，深入研究混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性。通過建立合理的數(shù)值模型，準(zhǔn)確模擬泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水沙兩相流動(dòng)，分析不同工況下的壓力分布、速度分布、泥沙濃度分布以及固液兩相之間的相互作用，揭示泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律和影響因素。同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充，為混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和抗磨性能提升提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)概述2.1泵板結(jié)構(gòu)的位置與作用泵板結(jié)構(gòu)作為混流式水輪機(jī)的關(guān)鍵組成部分，位于轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的特定區(qū)域，其具體位置決定了它在水輪機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。從減小軸向水推力的角度來看，在混流式水輪機(jī)的運(yùn)行過程中，水流通過蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間存在一定的空間，部分水流會(huì)通過轉(zhuǎn)輪上冠的密封間隙泄漏進(jìn)入該空腔內(nèi)。這部分泄漏水不僅造成了水輪機(jī)的容積損失，還會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生一個(gè)沿著水輪機(jī)主軸作用向下的軸向水推力。隨著水輪機(jī)單機(jī)容量和轉(zhuǎn)輪直徑的不斷增大，大型混流式水輪機(jī)因上冠的承壓面積較大，泄漏水壓力較高，產(chǎn)生的較大軸向水推力對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致推力瓦燒瓦等事故，制約水輪機(jī)推力軸承的設(shè)計(jì)。而泵板結(jié)構(gòu)的存在，能夠通過其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)作用，有效地排泄轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋間止漏環(huán)處的漏水。當(dāng)泵板隨轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)內(nèi)腔里的水也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下，水被甩向外側(cè)，形成一定的壓差，從而將泄漏水排出，減小了轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的壓力，進(jìn)而減小了轉(zhuǎn)輪的軸向水推力，保障了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。在降低機(jī)組能耗方面，通過減小軸向水推力，泵板結(jié)構(gòu)間接地降低了機(jī)組在運(yùn)行過程中克服軸向力所需要消耗的能量。軸向水推力的減小使得機(jī)組的機(jī)械損耗降低，提高了水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，進(jìn)而降低了整個(gè)機(jī)組的能耗。以某實(shí)際運(yùn)行的混流式水輪機(jī)為例，在安裝了優(yōu)化設(shè)計(jì)的泵板結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組的能耗相較于之前降低了[X]%，這充分體現(xiàn)了泵板結(jié)構(gòu)在降低機(jī)組能耗方面的顯著作用。泵板結(jié)構(gòu)還承擔(dān)著為機(jī)組供水的重要職責(zé)。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，泵板轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的啟動(dòng)由轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)，泵板轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，內(nèi)腔里的水在離心力的作用下產(chǎn)生壓差，進(jìn)入到集水箱中。集水箱中的水具有多種用途，一方面可以用來冷卻機(jī)組，帶走機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，保證機(jī)組各部件在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，防止因溫度過高而影響機(jī)組的性能和壽命；另一方面，這些水還可以排向尾水管，參與水輪機(jī)的整個(gè)水流循環(huán)過程。此外，通過頂蓋排水管，可在蓋板上方獲取較為清潔的水源，為機(jī)組的潤(rùn)滑系統(tǒng)等提供必要的用水，確保機(jī)組各運(yùn)動(dòng)部件之間的良好潤(rùn)滑，減少磨損，提高機(jī)組的可靠性和使用壽命。2.2泵板結(jié)構(gòu)的工作原理泵板結(jié)構(gòu)的工作原理涉及到水輪機(jī)運(yùn)行過程中水流在其中的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，包括流動(dòng)路徑、間隙泄漏等，這些現(xiàn)象對(duì)于理解泵板結(jié)構(gòu)的性能以及水輪機(jī)的整體運(yùn)行特性至關(guān)重要。在混流式水輪機(jī)的運(yùn)行過程中，水流首先通過蝸殼和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪高速旋轉(zhuǎn)，將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而泵板結(jié)構(gòu)位于轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間，當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部分水流會(huì)從轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的密封間隙泄漏進(jìn)入泵板結(jié)構(gòu)所在的空腔流道內(nèi)。這部分泄漏水在泵板的作用下開始其獨(dú)特的流動(dòng)路徑。泵板通常與轉(zhuǎn)輪上冠相連并隨其一同旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，泄漏進(jìn)入泵板內(nèi)腔的水會(huì)被甩向外側(cè)。具體來說，水從泵板的中心區(qū)域向邊緣區(qū)域流動(dòng)，在這個(gè)過程中，水的速度逐漸增加，壓力逐漸降低。隨著水流向外側(cè)流動(dòng)，在泵板的邊緣處，水會(huì)進(jìn)入集水箱或通過特定的排水通道排出。例如，在某混流式水輪機(jī)的泵板結(jié)構(gòu)中，水流從泵板中心進(jìn)入后，在離心力作用下以螺旋狀的路徑向邊緣流動(dòng)，最終通過設(shè)置在泵板邊緣的排水孔進(jìn)入集水箱，這些排出的水一部分可用于冷卻機(jī)組，一部分則排向尾水管。間隙泄漏是泵板結(jié)構(gòu)工作過程中不可忽視的現(xiàn)象。由于泵板結(jié)構(gòu)上半部分固定，下半部分隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這就導(dǎo)致在泵板與固定部件之間不可避免地存在一定間隙。在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部分水流會(huì)通過這些間隙泄漏。間隙泄漏的大小受到多種因素的影響，其中間隙的大小是關(guān)鍵因素之一。較小的間隙能夠有效減少泄漏量，但過小的間隙可能會(huì)導(dǎo)致泵板與固定部件之間的摩擦增加，甚至發(fā)生磨損和卡死等問題；而較大的間隙則會(huì)使泄漏量增大，影響水輪機(jī)的效率。密封面的粗糙度也會(huì)對(duì)泄漏產(chǎn)生影響，粗糙的密封面會(huì)增加水流的阻力，使得泄漏情況更加復(fù)雜，同時(shí)也可能加速密封面的磨損。運(yùn)行工況如水流速度、壓力等的變化也會(huì)對(duì)間隙泄漏產(chǎn)生影響。在高水頭、大流量等工況下，水流的沖擊力增大，可能導(dǎo)致間隙泄漏量增加。例如，通過對(duì)某混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)在不同工況下的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水頭從設(shè)計(jì)水頭的80%增加到120%時(shí)，間隙泄漏量增加了[X]%。間隙泄漏不僅會(huì)造成水輪機(jī)的容積損失，降低水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，還會(huì)影響泵板結(jié)構(gòu)的正常工作，進(jìn)而對(duì)水輪機(jī)的整體性能產(chǎn)生不利影響。過多的泄漏水會(huì)增加轉(zhuǎn)輪的軸向水推力，如前所述，這可能導(dǎo)致推力瓦燒瓦等事故，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。泄漏水還可能在泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成不穩(wěn)定的流動(dòng)，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)和噪聲，進(jìn)一步影響水輪機(jī)的運(yùn)行性能。綜上所述，泵板結(jié)構(gòu)通過其特殊的旋轉(zhuǎn)作用和離心力，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏水的排泄和利用，但其工作過程中存在的間隙泄漏現(xiàn)象會(huì)對(duì)水輪機(jī)的性能產(chǎn)生多方面的影響。深入了解泵板結(jié)構(gòu)的工作原理，包括水在其中的流動(dòng)路徑和間隙泄漏等現(xiàn)象，為后續(xù)研究水沙兩相流動(dòng)特性奠定了基礎(chǔ)，有助于進(jìn)一步優(yōu)化泵板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。2.3混流式水輪機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景與面臨的水沙問題混流式水輪機(jī)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在全球范圍內(nèi)的水電站中得到了廣泛應(yīng)用，不同的水電站根據(jù)其自身的水頭、流量等條件，選擇合適參數(shù)和規(guī)格的混流式水輪機(jī)，以實(shí)現(xiàn)高效的水能轉(zhuǎn)換。例如，三峽水電站作為世界上最大的水電站之一，安裝了32臺(tái)單機(jī)容量為70萬千瓦的混流式水輪機(jī)，總裝機(jī)容量達(dá)到2250萬千瓦。其水頭范圍為61-113米，在這樣的水頭條件下，混流式水輪機(jī)能夠充分發(fā)揮其效率高、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，將長(zhǎng)江的水能高效地轉(zhuǎn)化為電能，為我國(guó)的電力供應(yīng)做出了巨大貢獻(xiàn)。白鶴灘水電站同樣采用了混流式水輪機(jī)，其單機(jī)容量更是高達(dá)100萬千瓦，是目前世界上單機(jī)容量最大的混流式水輪機(jī)。白鶴灘水電站的水頭范圍為156-206米，這種高水頭條件對(duì)水輪機(jī)的性能提出了更高的要求，而混流式水輪機(jī)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功滿足了電站的運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的發(fā)電。然而，許多水電站所處的河流存在含沙量較高的情況，這給混流式水輪機(jī)的運(yùn)行帶來了諸多挑戰(zhàn)。以黃河流域的一些水電站為例，黃河以其高含沙量而聞名于世，其多年平均含沙量約為35千克/立方米。當(dāng)含沙水流通過混流式水輪機(jī)時(shí)，泥沙顆粒與水輪機(jī)的過流部件如轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、蝸殼等發(fā)生相互作用，會(huì)導(dǎo)致泥沙磨損問題。泥沙磨損會(huì)使過流部件的表面材料逐漸被侵蝕，表面粗糙度增加，從而破壞過流部件的原有形狀和尺寸精度。據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在含沙水流環(huán)境下運(yùn)行的混流式水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)輪葉片的磨損速度可達(dá)到每年數(shù)毫米甚至更多，這不僅會(huì)降低水輪機(jī)的水力性能，使機(jī)組效率下降，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇、噪聲增大，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。新疆的紅山嘴水電站地處泥沙含量較高的瑪納斯河，該電站的混流式水輪機(jī)在運(yùn)行過程中也面臨著嚴(yán)重的泥沙磨損問題。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪表面出現(xiàn)了明顯的磨損痕跡，葉片厚度減薄，表面變得粗糙不平。這使得水輪機(jī)的水力效率降低，出力減少，同時(shí)也增加了設(shè)備的維護(hù)成本和停機(jī)檢修時(shí)間。根據(jù)電站的運(yùn)行記錄，在含沙量較高的季節(jié)，水輪機(jī)的效率相比正常情況下降了[X]%左右，機(jī)組的振動(dòng)和噪聲也明顯增大，對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行穩(wěn)定性造成了較大影響。除了泥沙磨損外，含沙水流還會(huì)導(dǎo)致混流式水輪機(jī)的效率降低。由于泥沙顆粒的存在，水流的流動(dòng)阻力增加，能量損失增大，從而使得水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率降低。相關(guān)研究表明，當(dāng)水流中的含沙濃度達(dá)到一定程度時(shí)，水輪機(jī)的效率可能會(huì)降低10%-20%。這不僅會(huì)影響水電站的發(fā)電量，還會(huì)降低能源利用效率，增加發(fā)電成本。泥沙顆粒還可能會(huì)對(duì)水輪機(jī)的密封性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致泄漏增加，進(jìn)一步降低水輪機(jī)的性能。含沙水流中的泥沙顆?？赡軙?huì)進(jìn)入水輪機(jī)的軸承、密封等部位，加劇這些部件的磨損，縮短其使用壽命。泥沙顆粒還可能會(huì)引發(fā)水輪機(jī)內(nèi)部的空化和空蝕現(xiàn)象，對(duì)過流部件造成更為嚴(yán)重的破壞。三、CFD技術(shù)及水沙兩相流理論基礎(chǔ)3.1CFD技術(shù)簡(jiǎn)介計(jì)算流體力學(xué)（CFD）作為一門融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法以及流體力學(xué)理論的交叉學(xué)科，其基本原理是通過數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的偏微分方程組，來獲取流體流動(dòng)的流場(chǎng)在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，進(jìn)而近似模擬實(shí)際的流體流動(dòng)情況。從本質(zhì)上講，CFD就如同在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行“虛擬實(shí)驗(yàn)”，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和數(shù)值算法，對(duì)各種流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析。CFD的發(fā)展歷程與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)步緊密相連。1933年，英國(guó)人Thom首次運(yùn)用手搖計(jì)算機(jī)數(shù)值求解二維粘性流體偏微分方程，這一開創(chuàng)性的工作標(biāo)志著CFD的誕生。然而，在早期，由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力的限制，CFD的應(yīng)用范圍較為狹窄，主要集中在一些簡(jiǎn)單的流動(dòng)問題研究上。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是20世紀(jì)70年代以后，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大幅提升，存儲(chǔ)容量不斷增大，為CFD的發(fā)展提供了強(qiáng)大的硬件支持。同時(shí)，數(shù)值計(jì)算方法也取得了顯著進(jìn)展，各種高效的數(shù)值算法不斷涌現(xiàn)，如有限差分法、有限體積法、有限元法等，這些算法的出現(xiàn)和完善進(jìn)一步推動(dòng)了CFD技術(shù)的發(fā)展。1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD應(yīng)用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域，對(duì)通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬，開啟了CFD在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的新篇章。此后，CFD技術(shù)在航空航天、汽車工程、生物醫(yī)學(xué)、化工、水利等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究，逐漸成為解決流體流動(dòng)問題的重要工具。在水利工程領(lǐng)域，CFD技術(shù)的應(yīng)用為研究水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律、優(yōu)化水利設(shè)施設(shè)計(jì)提供了新的手段。通過CFD模擬，可以深入分析河流、湖泊、水庫(kù)等水體中的水流速度分布、壓力分布、水位變化等參數(shù)，為水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。在水壩的設(shè)計(jì)中，利用CFD技術(shù)可以模擬大壩泄洪時(shí)的水流形態(tài)，分析水流對(duì)壩體的沖擊力和壓力分布，優(yōu)化大壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高大壩的安全性和穩(wěn)定性。在河道整治工程中，CFD模擬可以幫助工程師了解河道水流的特性，預(yù)測(cè)河道演變趨勢(shì)，制定合理的整治方案，改善河道的通航條件和防洪能力。在研究混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性方面，CFD技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比，CFD模擬不受物理模型和試驗(yàn)條件的限制，可以方便地對(duì)不同工況下的水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究。在實(shí)際試驗(yàn)中，由于受到模型制作精度、試驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地等因素的制約，很難對(duì)水輪機(jī)在各種極端工況下的性能進(jìn)行全面測(cè)試。而通過CFD模擬，只需在計(jì)算機(jī)上建立水輪機(jī)的三維模型，設(shè)定不同的邊界條件和運(yùn)行參數(shù)，就可以輕松模擬水輪機(jī)在不同工況下的內(nèi)部流動(dòng)情況，獲取詳細(xì)的流場(chǎng)信息。CFD模擬能夠提供豐富的流場(chǎng)細(xì)節(jié)信息，如壓力分布、速度分布、流線形態(tài)、能量損失等，這些信息對(duì)于深入理解水輪機(jī)的工作原理和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法往往只能測(cè)量水輪機(jī)某些特定位置的參數(shù)，難以全面了解水輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的三維流場(chǎng)特性。CFD模擬還具有成本低、周期短的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)行一次物理模型試驗(yàn)通常需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。而CFD模擬只需要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，成本相對(duì)較低，且計(jì)算速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)完成大量的模擬計(jì)算，大大提高了研究效率。綜上所述，CFD技術(shù)在研究混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為深入揭示水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)機(jī)制和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的工具。3.2水沙兩相流基本理論水沙兩相流是一種由水和泥沙顆粒組成的多相流動(dòng)體系，廣泛存在于自然界的河流、湖泊以及水利工程設(shè)施如水電站、水庫(kù)等中。在水沙兩相流中，水作為連續(xù)相，泥沙顆粒則作為離散相懸浮或運(yùn)動(dòng)于其中，兩者相互作用，共同構(gòu)成了復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)泥沙顆粒在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和分布特征，水沙兩相流可大致分為以下幾類：懸移質(zhì)流，當(dāng)水流速度較大時(shí)，泥沙顆粒在水流的紊動(dòng)作用下呈懸浮狀態(tài)，隨水流一起運(yùn)動(dòng)，這種狀態(tài)下的水沙兩相流中泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)較為活躍，與水流的相互作用較強(qiáng)；推移質(zhì)流，當(dāng)水流速度相對(duì)較小時(shí)，部分泥沙顆粒在重力作用下沿河床表面滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳躍前進(jìn)，這部分泥沙顆粒稱為推移質(zhì)，推移質(zhì)流中泥沙顆粒與河床表面的摩擦和碰撞較為頻繁；層移質(zhì)流，在某些特定情況下，如水流速度極小或泥沙濃度極高時(shí)，泥沙顆粒會(huì)在河床表面形成一層相對(duì)穩(wěn)定的泥沙層，該泥沙層隨水流作整體移動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為層移質(zhì)流。水沙兩相流的流動(dòng)特性與單相水流相比具有顯著的差異。由于泥沙顆粒的存在，水沙兩相流的密度、粘度等物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。泥沙顆粒的加入使得水沙兩相流的密度大于純水的密度，且隨著泥沙濃度的增加，密度增大的趨勢(shì)更加明顯。泥沙顆粒還會(huì)增加流體的粘度，使得水流的流動(dòng)阻力增大。水沙兩相流的流速分布也與單相水流不同。在懸移質(zhì)流中，由于泥沙顆粒的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，靠近河床表面的流速梯度會(huì)減小，而在遠(yuǎn)離河床表面的區(qū)域，流速相對(duì)均勻。水沙兩相流的能量損失也比單相水流更為復(fù)雜，除了粘性摩擦損失外，還包括泥沙顆粒與水流之間的能量交換以及泥沙顆粒之間的碰撞和摩擦損失等。在水沙兩相流中，固相顆粒與液相之間存在著復(fù)雜的相互作用機(jī)制。從力的作用角度來看，液相會(huì)對(duì)固相顆粒施加多種力的作用。粘性力是液相與固相顆粒之間由于粘性而產(chǎn)生的作用力，它使得泥沙顆粒在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻力，阻礙其運(yùn)動(dòng)。紊流脈動(dòng)壓力也是液相作用于固相顆粒的重要力之一，在紊流狀態(tài)下，水流的脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的壓力變化，這些壓力變化會(huì)作用于泥沙顆粒，影響其運(yùn)動(dòng)軌跡和速度。此外，當(dāng)泥沙顆粒在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其周圍水流速度的不均勻分布，會(huì)產(chǎn)生一種升力，稱為Saffman升力，該升力會(huì)使泥沙顆粒在垂直于主流方向上發(fā)生偏移。固相顆粒也會(huì)對(duì)液相產(chǎn)生反作用。泥沙顆粒的存在改變了水流的流態(tài)，增加了水流的紊動(dòng)強(qiáng)度。泥沙顆粒的碰撞和摩擦?xí)乃鞯哪芰?，使得水流的能量損失增加。當(dāng)泥沙濃度較高時(shí)，泥沙顆粒之間的相互作用會(huì)形成一種類似于“結(jié)構(gòu)”的效應(yīng)，進(jìn)一步影響水流的流動(dòng)特性。這些相互作用機(jī)制對(duì)于理解水沙兩相流的流動(dòng)特性和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有重要意義。在研究混流式水輪機(jī)內(nèi)部的水沙兩相流動(dòng)時(shí)，深入分析固相顆粒與液相之間的相互作用，有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水輪機(jī)過流部件的磨損情況，優(yōu)化水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，提高其抗泥沙磨損能力。通過數(shù)值模擬的方法，可以詳細(xì)研究不同工況下固相顆粒與液相之間的相互作用，為水輪機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)提供理論依據(jù)。在實(shí)際工程中，了解這些相互作用機(jī)制也有助于制定合理的泥沙處理措施，減少泥沙對(duì)水輪機(jī)的危害。3.3數(shù)值模擬方法與模型選擇在計(jì)算流體力學(xué)（CFD）領(lǐng)域，常用的數(shù)值模擬方法主要包括有限體積法、有限元法和有限差分法等，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。有限體積法（FVM）以守恒型的控制方程為基礎(chǔ)，將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列互不重疊的控制體積，使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的控制體積。然后，對(duì)每個(gè)控制體積進(jìn)行積分，將待解的微分方程轉(zhuǎn)化為離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的因變量。這種方法的基本思路易于理解，離散方程具有明確的物理意義，即因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理。在模擬混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，有限體積法能夠較好地處理復(fù)雜的邊界條件，對(duì)不規(guī)則的計(jì)算區(qū)域具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在處理水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等復(fù)雜形狀的部件時(shí)，有限體積法可以通過合理劃分網(wǎng)格，準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息，如壓力分布、速度分布等。有限體積法的計(jì)算精度較高，能夠滿足工程實(shí)際的需求。它在商用CFD軟件中得到了廣泛應(yīng)用，如Fluent、CFX等軟件都采用了有限體積法作為核心算法，這也使得有限體積法在混流式水輪機(jī)水沙兩相流模擬中具有較高的通用性和成熟度。有限元法（FEM）基于變分原理和加權(quán)余量法，將計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元。在每個(gè)單元內(nèi)，選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式。借助變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。有限元法對(duì)橢圓型問題具有較好的適應(yīng)性，能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。在處理具有復(fù)雜幾何形狀的水輪機(jī)部件時(shí)，有限元法可以通過靈活的單元?jiǎng)澐址绞?，精確地模擬部件的幾何特征。有限元法在求解過程中通常需要求解大型的線性方程組，計(jì)算量較大，計(jì)算速度相對(duì)較慢。在商用CFD軟件上的應(yīng)用相對(duì)不如有限體積法廣泛。有限差分法（FDM）是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬最早采用的方法，至今仍被廣泛運(yùn)用。該方法將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域。以Taylor級(jí)數(shù)展開等方法，把控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。有限差分法數(shù)學(xué)概念直觀，表達(dá)簡(jiǎn)單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。它對(duì)規(guī)則的計(jì)算區(qū)域具有較高的計(jì)算效率。在模擬簡(jiǎn)單幾何形狀的流體流動(dòng)時(shí)，有限差分法能夠快速地得到計(jì)算結(jié)果。有限差分法在處理復(fù)雜邊界條件時(shí)相對(duì)較為困難，對(duì)不規(guī)則計(jì)算區(qū)域的適應(yīng)性較差。在混流式水輪機(jī)水沙兩相流模擬中，選擇合適的模型對(duì)于準(zhǔn)確模擬流動(dòng)特性至關(guān)重要。常用的水沙兩相流模型包括歐拉-拉格朗日模型和歐拉-歐拉模型。歐拉-拉格朗日模型將液相視為連續(xù)相，采用歐拉方法進(jìn)行描述，對(duì)固相顆粒則采用拉格朗日方法進(jìn)行跟蹤。該模型能夠詳細(xì)地描述每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和受力情況，對(duì)于研究顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和碰撞行為具有較高的準(zhǔn)確性。由于需要對(duì)大量的顆粒進(jìn)行跟蹤，計(jì)算量較大，計(jì)算效率較低，適用于泥沙濃度較低、顆粒數(shù)量相對(duì)較少的情況。歐拉-歐拉模型將液相和固相都視為連續(xù)相，分別建立各自的控制方程，并通過相間作用力來考慮兩相之間的相互作用。該模型的計(jì)算效率相對(duì)較高，適用于泥沙濃度較高的情況。在處理顆粒間的相互作用和顆粒的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)方面，歐拉-歐拉模型的準(zhǔn)確性相對(duì)較低。在本研究中，考慮到混流式水輪機(jī)內(nèi)部流道復(fù)雜，且實(shí)際運(yùn)行中泥沙濃度可能較高，為了在保證一定計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，選擇有限體積法作為數(shù)值模擬方法，并采用歐拉-歐拉模型來描述水沙兩相流。有限體積法能夠較好地處理復(fù)雜的邊界條件和不規(guī)則的計(jì)算區(qū)域，滿足混流式水輪機(jī)內(nèi)部流道的模擬需求。而歐拉-歐拉模型在處理高濃度泥沙時(shí)具有計(jì)算效率高的優(yōu)勢(shì)，能夠有效地減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源的消耗。通過合理選擇數(shù)值模擬方法和模型，為后續(xù)深入研究混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性奠定了基礎(chǔ)。四、基于CFD的混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流模擬4.1模擬案例介紹本研究以紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組作為具體的模擬案例。紅山嘴水電站位于新疆石河子市，坐落在泥沙含量較高的瑪納斯河上，該河多年平均含沙量達(dá)[X]千克/立方米，特殊的地理位置使得水電站的水輪機(jī)長(zhǎng)期處于含沙水流的運(yùn)行環(huán)境中，面臨著嚴(yán)峻的泥沙磨損問題。紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組采用混流式水輪機(jī)，其基本參數(shù)對(duì)于理解水輪機(jī)的運(yùn)行特性和后續(xù)的模擬分析具有重要意義。該混流式水輪機(jī)的額定水頭為[X]米，額定流量為[X]立方米/秒，額定轉(zhuǎn)速為[X]轉(zhuǎn)/分鐘，額定出力為[X]千瓦。這些參數(shù)決定了水輪機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行性能，也為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了重要的邊界條件和初始參數(shù)。泵板結(jié)構(gòu)作為本次研究的重點(diǎn)對(duì)象，其在混流式水輪機(jī)中起著關(guān)鍵作用。紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組的泵板結(jié)構(gòu)位于轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間，泵板上半部分固定，下半部分隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間存在一定間隙，該間隙大小為[X]毫米。這一間隙雖然看似微小，卻對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部的水流流動(dòng)和水沙兩相流特性產(chǎn)生著重要影響。在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，部分水流會(huì)通過該間隙泄漏至轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的空腔流道內(nèi)，而含沙水流的泄漏則會(huì)進(jìn)一步加劇泵板結(jié)構(gòu)及周邊部件的磨損。泵板的直徑為[X]米，厚度為[X]米，其獨(dú)特的尺寸和形狀設(shè)計(jì)決定了水流在其中的流動(dòng)路徑和速度分布，進(jìn)而影響水沙兩相流的特性。泵板上還設(shè)有特定的排水通道和集水箱，用于排泄泄漏水和收集可供機(jī)組使用的清潔水源，這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布局也會(huì)對(duì)水沙兩相流的流動(dòng)特性產(chǎn)生影響。對(duì)紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組的基本情況、混流式水輪機(jī)的參數(shù)以及泵板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)了解，為后續(xù)基于CFD的水沙兩相流模擬分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過對(duì)這些具體參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究，可以更加準(zhǔn)確地模擬水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象，深入揭示水沙兩相流的特性和規(guī)律。4.2模型建立與網(wǎng)格劃分為準(zhǔn)確模擬混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)的水沙兩相流動(dòng)特性，首先需建立其三維模型。本文借助專業(yè)的三維建模軟件，以紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組的混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)為原型，依據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)圖紙和尺寸參數(shù)，進(jìn)行精確的幾何建模。在建模過程中，全面考慮泵板結(jié)構(gòu)的各個(gè)組成部分，包括泵板、轉(zhuǎn)輪上冠、頂蓋以及它們之間的間隙，確保模型能夠真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何特征。在建立模型時(shí)，考慮到實(shí)際計(jì)算的可行性和效率，對(duì)一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。去除了一些對(duì)整體流動(dòng)特性影響較小的微小結(jié)構(gòu)，如某些局部的倒角、小孔等。這些微小結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)水沙兩相流動(dòng)的影響相對(duì)較小，但在建模和網(wǎng)格劃分過程中會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜性和計(jì)算量。通過合理簡(jiǎn)化，既能夠在一定程度上提高計(jì)算效率，又不會(huì)對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生顯著影響。在簡(jiǎn)化過程中，嚴(yán)格遵循相似性原理，確保簡(jiǎn)化后的模型在主要幾何特征和流動(dòng)特性方面與實(shí)際結(jié)構(gòu)保持一致。完成幾何建模后，使用ANSYSICEMCFD軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該軟件具備強(qiáng)大的網(wǎng)格生成功能，能夠針對(duì)復(fù)雜的幾何形狀生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。在網(wǎng)格劃分策略上，根據(jù)泵板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和流動(dòng)特性，采用了非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格具有良好的適應(yīng)性，能夠較好地貼合泵板結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何形狀，尤其是在泵板與轉(zhuǎn)輪上冠、頂蓋之間的間隙等復(fù)雜區(qū)域，能夠精確地捕捉流場(chǎng)的變化。在間隙等關(guān)鍵部位，采用局部加密的方式，細(xì)化網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算精度。通過局部加密，能夠更準(zhǔn)確地模擬間隙內(nèi)的水流速度分布、壓力變化以及泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡等。對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足計(jì)算要求。檢查的指標(biāo)包括網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比、雅克比行列式、翹曲度等。確保網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比盡量接近1，雅克比行列式大于0.2，翹曲度小于15度，以保證計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。為了分析網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)模擬結(jié)果的影響，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。采用不同的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量逐漸增加時(shí)，觀察模擬結(jié)果中關(guān)鍵參數(shù)（如壓力分布、速度分布、泥沙濃度分布等）的變化情況。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，關(guān)鍵參數(shù)的變化趨于穩(wěn)定，說明此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)能夠滿足計(jì)算精度的要求，不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量的增加而使結(jié)果發(fā)生明顯變化。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，確定了合適的網(wǎng)格數(shù)量，既保證了計(jì)算精度，又避免了因網(wǎng)格數(shù)量過多而導(dǎo)致的計(jì)算資源浪費(fèi)和計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。在本研究中，經(jīng)過多次驗(yàn)證，最終確定的網(wǎng)格數(shù)量為[X]個(gè)，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)值模擬。4.3邊界條件與參數(shù)設(shè)置在本次基于CFD的混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流模擬中，合理設(shè)置邊界條件和參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要充分考慮實(shí)際運(yùn)行工況和物理過程。進(jìn)口邊界條件設(shè)定為速度入口，根據(jù)紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組的額定流量和蝸殼進(jìn)口面積，計(jì)算得出進(jìn)口水流速度為[X]m/s。同時(shí)，考慮到實(shí)際河流中泥沙顆粒的粒徑分布較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算且不失代表性，選取了三種不同的泥沙粒徑，分別為0.05mm、0.1mm和0.2mm，以研究泥沙粒徑對(duì)水沙兩相流動(dòng)特性的影響。在實(shí)際河流中，泥沙粒徑通常呈現(xiàn)一定的分布范圍，從細(xì)小的粉沙到較大的礫石都有存在。通過選取這三種具有代表性的粒徑，可以在一定程度上涵蓋常見的泥沙粒徑范圍，為分析泥沙粒徑的影響提供較為全面的數(shù)據(jù)支持。對(duì)于泥沙濃度，根據(jù)瑪納斯河的多年平均含沙量以及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了三種不同的體積分?jǐn)?shù)，分別為0.5%、1%和2%，以探究泥沙濃度對(duì)流動(dòng)特性的影響。不同的泥沙濃度會(huì)導(dǎo)致水沙兩相流的物理性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，通過設(shè)置多個(gè)濃度工況，可以更深入地了解泥沙濃度在水沙兩相流動(dòng)中的作用機(jī)制。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，參考當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫σ约八娬镜奈菜?，將出口壓力設(shè)定為[X]Pa。在實(shí)際運(yùn)行中，水輪機(jī)的出口壓力受到多種因素的影響，如尾水水位的波動(dòng)、下游河道的水流情況等。通過準(zhǔn)確設(shè)定出口壓力，可以更真實(shí)地模擬水輪機(jī)出口處的水流狀態(tài)，確保模擬結(jié)果的可靠性。在出口邊界處，還需要考慮水流的流出情況，確保水流能夠順暢地排出計(jì)算區(qū)域，避免出現(xiàn)回流等異常現(xiàn)象。壁面邊界條件采用無滑移邊界條件，即認(rèn)為水流與壁面之間沒有相對(duì)滑動(dòng)，壁面處的流速為零。對(duì)于泵板結(jié)構(gòu)的壁面，考慮到其表面的粗糙度對(duì)水流流動(dòng)和泥沙磨損有一定影響，根據(jù)實(shí)際材料和加工工藝，設(shè)置壁面粗糙度為[X]mm。壁面粗糙度會(huì)增加水流的阻力，改變水流的速度分布和紊動(dòng)特性，進(jìn)而影響泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)和磨損情況。通過合理設(shè)置壁面粗糙度，可以更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際的流動(dòng)過程，為研究泥沙磨損提供更符合實(shí)際的邊界條件。在壁面附近，還需要考慮邊界層的影響，采用適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ蛠硖幚磉吔鐚觾?nèi)的流動(dòng)。在水沙兩相流的參數(shù)設(shè)置方面，除了上述提到的泥沙粒徑和濃度外，還需要考慮固相顆粒密度等參數(shù)。根據(jù)實(shí)際泥沙的成分和性質(zhì)，將固相顆粒密度設(shè)定為[X]kg/m3。不同的泥沙成分會(huì)導(dǎo)致固相顆粒密度有所差異，準(zhǔn)確設(shè)定固相顆粒密度對(duì)于模擬泥沙顆粒在水中的運(yùn)動(dòng)和相互作用至關(guān)重要。在模擬過程中，還需要考慮水的密度和動(dòng)力粘度等參數(shù)，將水的密度設(shè)定為1000kg/m3，動(dòng)力粘度設(shè)定為1.003×10?3Pa?s。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定能夠保證模擬結(jié)果與實(shí)際物理過程的一致性。在水沙兩相流中，還需要考慮兩相之間的相互作用力，如曳力、升力等，通過合理選擇相間作用力模型來準(zhǔn)確描述這些相互作用。4.4模擬結(jié)果與分析通過CFD模擬，獲得了清水和渾水工況下混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力分布、速度矢量分布以及泥沙濃度分布等結(jié)果，以下將對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以揭示不同工況下的流動(dòng)特性差異。4.4.1壓力分布分析在清水工況下，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。從蝸殼進(jìn)口到轉(zhuǎn)輪區(qū)域，壓力逐漸降低，這是由于水流在流經(jīng)蝸殼和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，導(dǎo)致壓力下降。在轉(zhuǎn)輪與泵板之間的間隙區(qū)域，壓力分布相對(duì)較為均勻，但由于間隙泄漏的存在，會(huì)在間隙附近產(chǎn)生一定的壓力梯度。在泵板的出口處，壓力進(jìn)一步降低，接近大氣壓力，這是因?yàn)樗髟诖颂幣懦?，能量進(jìn)一步消耗。當(dāng)處于渾水工況時(shí)，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力分布與清水工況存在明顯差異。整體來看，渾水工況下的壓力值相較于清水工況有所增大。這是因?yàn)槟嗌愁w粒的存在增加了流體的密度和粘度，使得水流的流動(dòng)阻力增大，從而導(dǎo)致壓力升高。在間隙進(jìn)口處，由于泥沙顆粒的堆積和堵塞效應(yīng)，壓力升高更為明顯。隨著泥沙粒徑的增大，這種壓力升高的趨勢(shì)更加顯著。這是因?yàn)榇罅降哪嗌愁w粒更容易在間隙進(jìn)口處堆積，阻礙水流的流動(dòng)，進(jìn)而增加了壓力。研究表明，當(dāng)泥沙粒徑從0.05mm增大到0.2mm時(shí)，間隙進(jìn)口處的壓力升高了[X]%。在不同泥沙濃度下，壓力分布也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。隨著泥沙濃度的增加，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力逐漸增大。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，泵板內(nèi)部的平均壓力升高了[X]Pa。這是因?yàn)槟嗌碀舛鹊脑黾舆M(jìn)一步增大了流體的密度和粘度，使得水流的能量損失增加，從而導(dǎo)致壓力升高。在高濃度泥沙工況下，壓力分布的不均勻性也更加明顯，可能會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的壓力過高，對(duì)泵板結(jié)構(gòu)造成更大的沖擊和損壞。4.4.2速度矢量分布分析清水工況下，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水流速度矢量分布清晰地展示了水流的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度變化情況。在蝸殼進(jìn)口處，水流以較高的速度沿蝸殼切線方向進(jìn)入，速度大小約為[X]m/s。隨著水流進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，速度方向發(fā)生改變，逐漸轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)輪方向。在轉(zhuǎn)輪區(qū)域，水流速度進(jìn)一步增加，這是由于轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)作用，將水流的部分壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在轉(zhuǎn)輪與泵板之間的間隙區(qū)域，水流速度相對(duì)較小，且速度方向較為復(fù)雜，存在一定的回流現(xiàn)象。這是因?yàn)殚g隙泄漏的水流受到泵板和轉(zhuǎn)輪的影響，流動(dòng)狀態(tài)變得不穩(wěn)定。在泵板的出口處，水流速度迅速降低，這是因?yàn)樗髟诖颂幣懦觯芰恐饾u消耗。在渾水工況下，速度矢量分布受到泥沙顆粒的顯著影響。由于泥沙顆粒與水流之間的相互作用，水流的速度大小和方向都發(fā)生了改變。在間隙進(jìn)口處，由于泥沙顆粒的堆積和堵塞，水流速度明顯減小，且速度方向變得紊亂。這是因?yàn)槟嗌愁w粒阻礙了水流的正常流動(dòng)，使得水流的能量損失增加，速度降低。在泵板內(nèi)部，隨著泥沙粒徑的增大，水流速度的變化更加明顯。大粒徑的泥沙顆粒具有較大的慣性，會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生更大的阻礙作用，導(dǎo)致水流速度進(jìn)一步減小。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥沙粒徑從0.05mm增大到0.2mm時(shí)，泵板內(nèi)部的平均水流速度降低了[X]m/s。不同泥沙濃度也會(huì)對(duì)速度矢量分布產(chǎn)生影響。隨著泥沙濃度的增加，水流速度逐漸減小。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，泵板內(nèi)部的平均水流速度降低了[X]m/s。這是因?yàn)槟嗌碀舛鹊脑黾邮沟昧黧w的粘性增大，水流的流動(dòng)阻力增加，從而導(dǎo)致速度降低。在高濃度泥沙工況下，水流速度的分布更加不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的流速過低，影響水輪機(jī)的正常運(yùn)行。4.4.3泥沙濃度分布分析在渾水工況下，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的泥沙濃度分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。在間隙進(jìn)口處，泥沙濃度相對(duì)較高，這是因?yàn)椴糠帜嗌愁w粒在水流的攜帶下進(jìn)入間隙，且由于間隙的節(jié)流作用，泥沙顆粒容易在此處堆積。隨著水流向泵板內(nèi)部流動(dòng)，泥沙濃度逐漸降低。在泵板的出口處，泥沙濃度最低，這是因?yàn)榇蟛糠帜嗌愁w粒已經(jīng)隨著水流排出。泥沙粒徑對(duì)泥沙濃度分布有顯著影響。隨著泥沙粒徑的增大，泥沙在進(jìn)口間隙上部產(chǎn)生淤積的現(xiàn)象更加明顯。這是因?yàn)榇罅降哪嗌愁w粒重力作用較大，在水流速度較小的區(qū)域容易沉降下來，形成淤積。在間隙進(jìn)口上部，當(dāng)泥沙粒徑為0.2mm時(shí)，泥沙淤積厚度明顯大于粒徑為0.05mm和0.1mm時(shí)的情況。這不僅會(huì)影響水流的正常流動(dòng)，還可能導(dǎo)致間隙堵塞，進(jìn)一步加劇泵板結(jié)構(gòu)的磨損。泥沙體積分?jǐn)?shù)只改變泥沙在流道內(nèi)部的濃度，并不改變泥沙分布規(guī)律。無論泥沙體積分?jǐn)?shù)如何變化，泥沙濃度分布的趨勢(shì)基本保持一致，即從間隙進(jìn)口到出口，泥沙濃度逐漸降低。不同體積分?jǐn)?shù)下，同一位置處的泥沙濃度會(huì)隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，間隙進(jìn)口處的泥沙濃度增加了[X]倍。這表明泥沙濃度的增加會(huì)導(dǎo)致泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的泥沙磨損風(fēng)險(xiǎn)增大，需要采取相應(yīng)的措施來減輕泥沙磨損。五、泥沙條件對(duì)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性的影響5.1泥沙粒徑的影響泥沙粒徑是影響混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性的重要因素之一，不同粒徑的泥沙在泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和相互作用方式存在顯著差異，進(jìn)而對(duì)壓力變化、泥沙分布規(guī)律以及泵板結(jié)構(gòu)磨損產(chǎn)生不同程度的影響。在壓力變化方面，隨著泥沙粒徑的增大，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。在間隙進(jìn)口處，大粒徑泥沙更容易堆積，阻礙水流的正常流動(dòng)，使得水流的能量損失增加，從而導(dǎo)致壓力升高更為顯著。當(dāng)泥沙粒徑從0.05mm增大到0.2mm時(shí)，間隙進(jìn)口處的壓力升高了[X]%。這是因?yàn)榇罅侥嗌愁w粒具有較大的慣性和重力，在水流速度相對(duì)較小的間隙進(jìn)口區(qū)域，更容易沉降并堆積，形成局部的堵塞，使得水流的流通面積減小，流速增大，根據(jù)伯努利方程，流速增大則壓力降低，但由于堵塞造成的能量損失增加，導(dǎo)致壓力升高的幅度超過了流速增大引起的壓力降低幅度，最終使得間隙進(jìn)口處的壓力顯著升高。在泵板的其他區(qū)域，如頂蓋出口等位置，隨著泥沙粒徑的增大，間隙進(jìn)口和頂蓋出口之間的壓力差也呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)榇罅侥嗌吃诒冒鍍?nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)水流的阻礙作用更強(qiáng)，使得水流在從間隙進(jìn)口流向頂蓋出口的過程中，能量損失更大，從而導(dǎo)致壓力差增大。泥沙粒徑對(duì)泥沙分布規(guī)律也有著重要影響。在泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部，隨著泥沙粒徑的增大，泥沙在進(jìn)口間隙上部產(chǎn)生淤積的現(xiàn)象愈發(fā)明顯。這是由于大粒徑泥沙顆粒的重力作用相對(duì)較大，在水流紊動(dòng)作用相對(duì)較弱的進(jìn)口間隙上部，更容易克服水流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用而下沉，從而形成淤積。在間隙進(jìn)口上部，當(dāng)泥沙粒徑為0.2mm時(shí)，泥沙淤積厚度明顯大于粒徑為0.05mm和0.1mm時(shí)的情況。這種淤積不僅會(huì)改變水流的流道形狀，影響水流的正常流動(dòng)，還可能導(dǎo)致局部區(qū)域的流速和壓力分布發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇泵板結(jié)構(gòu)的磨損。從泵板結(jié)構(gòu)磨損的角度來看，泥沙粒徑的增大對(duì)磨損有著顯著的促進(jìn)作用。大粒徑泥沙在與泵板壁面碰撞時(shí)，由于其具有較大的動(dòng)能，會(huì)對(duì)壁面造成更嚴(yán)重的沖擊和切削作用，從而加劇泵板結(jié)構(gòu)的磨損。研究表明，當(dāng)泥沙粒徑增大時(shí)，泵板表面的磨損率明顯增加。在葉輪葉片前緣區(qū)域，當(dāng)泥沙粒徑從較小值增加到最大值時(shí)，磨損強(qiáng)度和范圍明顯增大。這是因?yàn)榇罅侥嗌吃谒髦械倪\(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢，但質(zhì)量較大，與泵板壁面碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力更大，更容易破壞泵板表面的材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磨損加劇。大粒徑泥沙還可能在泵板表面形成較深的劃痕和凹坑，使得表面粗糙度增加，進(jìn)一步加劇磨損。通過對(duì)不同泥沙粒徑下泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力變化、泥沙分布規(guī)律以及磨損情況的對(duì)比模擬結(jié)果分析，可以得出泥沙粒徑與流動(dòng)特性之間存在密切的關(guān)系。泥沙粒徑的增大導(dǎo)致泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力升高、壓力差增大，泥沙在進(jìn)口間隙上部淤積嚴(yán)重，同時(shí)加劇了泵板結(jié)構(gòu)的磨損。在混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要充分考慮泥沙粒徑的影響，采取相應(yīng)的措施來減輕泥沙磨損，提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。可以通過優(yōu)化泵板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減小間隙進(jìn)口處的泥沙堆積，或者采用抗磨材料來提高泵板的抗磨損能力。5.2泥沙濃度的影響泥沙濃度是影響混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性的另一個(gè)關(guān)鍵因素，其變化對(duì)泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力分布、速度分布以及泥沙分布等方面均會(huì)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而對(duì)水輪機(jī)的性能產(chǎn)生重要作用。在壓力分布方面，隨著泥沙濃度的增加，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。這是因?yàn)槟嗌愁w粒的增多使得流體的密度和粘度增大，水流在流動(dòng)過程中受到的阻力增加，導(dǎo)致能量損失增大，從而壓力升高。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，泵板內(nèi)部的平均壓力升高了[X]Pa。在間隙進(jìn)口處，由于泥沙濃度的增加，泥沙顆粒更容易在此處堆積，進(jìn)一步阻礙了水流的流通，使得壓力升高更為明顯。在高濃度泥沙工況下，壓力分布的不均勻性也會(huì)加劇，可能會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)高壓區(qū)，對(duì)泵板結(jié)構(gòu)造成更大的沖擊和破壞。這是因?yàn)槟嗌愁w粒在流道內(nèi)的分布不均勻，在某些區(qū)域會(huì)形成較高的濃度團(tuán)，這些濃度團(tuán)會(huì)對(duì)水流的流動(dòng)產(chǎn)生更大的阻礙，導(dǎo)致壓力分布不均勻。泥沙濃度的變化對(duì)速度分布也有明顯的影響。隨著泥沙濃度的增加，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水流速度逐漸減小。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，泵板內(nèi)部的平均水流速度降低了[X]m/s。這是由于泥沙顆粒與水流之間的相互作用增強(qiáng)，泥沙顆粒的存在增加了水流的粘性阻力，使得水流的能量消耗增大，從而速度降低。在間隙進(jìn)口處，由于泥沙顆粒的堆積和堵塞，水流速度下降更為顯著，甚至可能出現(xiàn)局部的流速停滯現(xiàn)象。這會(huì)影響水流的正常流動(dòng)，導(dǎo)致泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流態(tài)不穩(wěn)定，進(jìn)一步影響水輪機(jī)的性能。在泥沙分布方面，泥沙濃度只改變泥沙在流道內(nèi)部的濃度，并不改變泥沙分布規(guī)律。無論泥沙濃度如何變化，泥沙濃度分布的趨勢(shì)基本保持一致，即從間隙進(jìn)口到出口，泥沙濃度逐漸降低。不同濃度下，同一位置處的泥沙濃度會(huì)隨著濃度的增加而增大。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，間隙進(jìn)口處的泥沙濃度增加了[X]倍。隨著泥沙濃度的增加，泥沙在泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布更加不均勻，在某些區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)泥沙濃度過高的情況，這會(huì)加劇泥沙對(duì)泵板結(jié)構(gòu)的磨損。泥沙濃度對(duì)水輪機(jī)性能的影響機(jī)制較為復(fù)雜。泥沙濃度的增加導(dǎo)致水流速度降低，使得水輪機(jī)的出力減少，效率降低。高濃度的泥沙會(huì)加劇泵板結(jié)構(gòu)及其他過流部件的磨損，縮短水輪機(jī)的使用壽命，增加維護(hù)成本。由于壓力分布的不均勻性增加，可能會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng)和噪聲增大，影響機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性。通過對(duì)不同泥沙濃度下泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力分布、速度分布、泥沙分布以及水輪機(jī)性能的分析，可以得出泥沙濃度與流動(dòng)特性之間存在密切的關(guān)系。泥沙濃度的增加會(huì)導(dǎo)致泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力升高、速度降低、泥沙分布不均勻，進(jìn)而對(duì)水輪機(jī)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要充分考慮泥沙濃度的影響，采取有效的措施來減輕泥沙對(duì)水輪機(jī)的危害?？梢酝ㄟ^優(yōu)化泵板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少泥沙在間隙進(jìn)口處的堆積，或者采用抗磨材料來提高泵板的抗磨損能力。還可以通過合理調(diào)整水輪機(jī)的運(yùn)行工況，降低泥沙對(duì)水輪機(jī)的影響，提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。5.3固液兩相速度差與泥沙分布規(guī)律的關(guān)系固液兩相之間的速度差在混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)的水沙兩相流動(dòng)中扮演著關(guān)鍵角色，對(duì)泥沙分布規(guī)律產(chǎn)生著重要影響。在泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水沙兩相流動(dòng)中，由于泥沙顆粒與水流的物理性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致它們的運(yùn)動(dòng)速度并不相同，從而產(chǎn)生了固液兩相速度差。從理論角度分析，當(dāng)固液兩相速度差較大時(shí)，泥沙顆粒在水流中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜。泥沙顆粒受到水流的作用力，包括粘性力、紊流脈動(dòng)壓力等，這些力使得泥沙顆粒在水流中做不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。在間隙進(jìn)口處，由于水流速度相對(duì)較大，而泥沙顆粒受到重力和水流阻力的作用，其速度相對(duì)較小，導(dǎo)致固液兩相速度差較大。在這種情況下，泥沙顆粒更容易受到水流的攜帶和沖刷，難以在該區(qū)域沉積，因此間隙進(jìn)口處的泥沙濃度相對(duì)較低。隨著水流向泵板內(nèi)部流動(dòng)，水流速度逐漸減小，而泥沙顆粒由于慣性作用，其速度變化相對(duì)較慢，導(dǎo)致固液兩相速度差逐漸減小。當(dāng)速度差減小到一定程度時(shí)，泥沙顆粒在重力作用下開始沉降，使得泵板內(nèi)部的泥沙濃度逐漸增加。在泵板的出口處，水流速度進(jìn)一步減小，固液兩相速度差較小，泥沙顆粒更容易沉積，導(dǎo)致出口處的泥沙濃度相對(duì)較高。結(jié)合模擬結(jié)果來看，在不同工況下，固液兩相速度差與泥沙分布規(guī)律之間的關(guān)系表現(xiàn)得十分明顯。在高流速工況下，固液兩相速度差較大，泥沙顆粒在泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布相對(duì)均勻，不易出現(xiàn)淤積現(xiàn)象。這是因?yàn)檩^大的速度差使得泥沙顆粒能夠充分地被水流攜帶，難以在某一區(qū)域聚集沉降。而在低流速工況下，固液兩相速度差較小，泥沙顆粒容易在泵板的某些區(qū)域沉積，形成淤積。在間隙進(jìn)口上部，當(dāng)流速較低時(shí)，固液兩相速度差較小，泥沙顆粒在重力作用下容易沉降，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)明顯的泥沙淤積。泥沙粒徑和濃度也會(huì)對(duì)固液兩相速度差與泥沙分布規(guī)律的關(guān)系產(chǎn)生影響。隨著泥沙粒徑的增大，泥沙顆粒的慣性增大，其速度變化相對(duì)較慢，導(dǎo)致固液兩相速度差增大。大粒徑泥沙在間隙進(jìn)口處受到水流的沖刷作用更強(qiáng)，更難以沉積，使得間隙進(jìn)口處的泥沙濃度相對(duì)較低，而在泵板內(nèi)部其他區(qū)域，由于大粒徑泥沙的沉降速度較快，會(huì)導(dǎo)致這些區(qū)域的泥沙濃度相對(duì)較高。隨著泥沙濃度的增加，水流的粘性增大，對(duì)泥沙顆粒的作用力增強(qiáng)，使得固液兩相速度差減小。在高濃度泥沙工況下，泥沙顆粒之間的相互作用也會(huì)增強(qiáng)，進(jìn)一步影響泥沙的運(yùn)動(dòng)和分布。高濃度泥沙可能會(huì)形成泥沙團(tuán)，這些泥沙團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度與水流速度差異較小，導(dǎo)致固液兩相速度差減小，泥沙更容易在局部區(qū)域聚集，從而影響泥沙的分布規(guī)律。固液兩相速度差是影響泥沙分布規(guī)律的主要因素之一。通過對(duì)固液兩相速度差與泥沙分布規(guī)律關(guān)系的研究，有助于深入理解混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)的內(nèi)在機(jī)制，為水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供理論依據(jù)。在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)整泵板結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，優(yōu)化水流流道，減小固液兩相速度差，從而減少泥沙在泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的淤積，提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。在運(yùn)行維護(hù)過程中，根據(jù)固液兩相速度差與泥沙分布規(guī)律的關(guān)系，合理調(diào)整水輪機(jī)的運(yùn)行工況，也可以有效地減輕泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨損，延長(zhǎng)水輪機(jī)的使用壽命。六、混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性對(duì)水輪機(jī)性能的影響6.1對(duì)水輪機(jī)效率的影響水沙兩相流動(dòng)特性對(duì)混流式水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率有著顯著的影響，這主要體現(xiàn)在泥沙對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的干擾以及由此導(dǎo)致的能量損失增加。通過對(duì)比清水和渾水工況下的效率曲線，可以清晰地揭示泥沙對(duì)水輪機(jī)效率的降低機(jī)制。在清水工況下，混流式水輪機(jī)內(nèi)部的水流相對(duì)較為順暢，能量轉(zhuǎn)換過程較為高效。水輪機(jī)的效率曲線呈現(xiàn)出較為理想的狀態(tài)，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近，效率能夠達(dá)到較高水平。當(dāng)水頭為額定水頭、流量為額定流量時(shí)，水輪機(jī)的效率可達(dá)到[X]%左右。這是因?yàn)樵谇逅畻l件下，水流與水輪機(jī)過流部件之間的相互作用相對(duì)簡(jiǎn)單，水流能夠較為均勻地流過轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉等部件，能量損失主要來自于水流的粘性摩擦以及機(jī)械部件之間的摩擦等常規(guī)因素。然而，當(dāng)處于渾水工況時(shí)，水輪機(jī)的效率明顯下降。這是由于泥沙顆粒的存在改變了水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性。泥沙顆粒與水流之間的相互作用增加了水流的紊動(dòng)程度，使得水流的能量損失增大。泥沙顆粒還會(huì)對(duì)水輪機(jī)的過流部件表面造成磨損，導(dǎo)致表面粗糙度增加，進(jìn)一步增大了水流的流動(dòng)阻力，從而降低了水輪機(jī)的效率。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，在相同的水頭和流量條件下，水輪機(jī)的效率下降至[X]%左右，相較于清水工況降低了[X]個(gè)百分點(diǎn)。從效率曲線的變化趨勢(shì)來看，隨著泥沙濃度的增加，水輪機(jī)效率下降的幅度逐漸增大。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，水輪機(jī)的效率從[X]%下降至[X]%，下降幅度達(dá)到[X]個(gè)百分點(diǎn)。這表明泥沙濃度對(duì)水輪機(jī)效率的影響呈現(xiàn)出非線性的特征，泥沙濃度越高，對(duì)效率的負(fù)面影響越顯著。泥沙粒徑也是影響水輪機(jī)效率的重要因素。較大粒徑的泥沙顆粒具有更大的動(dòng)能和慣性，在與水輪機(jī)過流部件碰撞時(shí)，會(huì)對(duì)部件表面造成更嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致表面粗糙度增加更為明顯，進(jìn)而使水流的能量損失增大，水輪機(jī)效率降低更為顯著。當(dāng)泥沙粒徑從0.05mm增大到0.2mm時(shí)，在相同的泥沙濃度條件下，水輪機(jī)的效率下降幅度增加了[X]個(gè)百分點(diǎn)。泥沙對(duì)水輪機(jī)效率的降低機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面。泥沙顆粒增加了水流的粘性和紊動(dòng)程度，使得水流在流動(dòng)過程中需要克服更大的阻力，從而消耗更多的能量。泥沙磨損導(dǎo)致過流部件表面粗糙度增加，破壞了水流的邊界層，使水流的流動(dòng)形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)一步增大了能量損失。泥沙顆粒在水輪機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)還可能引起局部的水流堵塞和回流現(xiàn)象，影響了水流的正常流動(dòng)，降低了能量轉(zhuǎn)換效率。綜上所述，水沙兩相流動(dòng)特性中的泥沙因素對(duì)混流式水輪機(jī)的效率產(chǎn)生了明顯的負(fù)面影響。通過對(duì)比清水和渾水工況下的效率曲線，深入分析泥沙粒徑和濃度等因素對(duì)效率的影響及降低機(jī)制，為提高水輪機(jī)在含沙水流環(huán)境下的運(yùn)行效率提供了理論依據(jù)，有助于采取相應(yīng)的措施來減輕泥沙對(duì)水輪機(jī)效率的影響，如優(yōu)化水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、采用抗磨材料、改進(jìn)泥沙處理技術(shù)等。6.2對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性的影響水沙兩相流動(dòng)特性對(duì)混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生著不容忽視的影響，其中泵板結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲問題是兩個(gè)重要的方面，它們不僅影響水輪機(jī)的正常運(yùn)行，還可能對(duì)機(jī)組的壽命和安全性造成威脅。在泵板結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面，當(dāng)含沙水流通過混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)時(shí)，泥沙顆粒與泵板壁面的相互作用會(huì)導(dǎo)致泵板受到額外的沖擊力和壓力脈動(dòng)。這些沖擊力和壓力脈動(dòng)的頻率和幅值受到泥沙粒徑、濃度以及水流速度等因素的影響。隨著泥沙粒徑的增大，泥沙顆粒與泵板壁面碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力增大，使得泵板所受的動(dòng)態(tài)載荷增加，從而容易引發(fā)泵板的振動(dòng)。當(dāng)泥沙粒徑從0.05mm增大到0.2mm時(shí)，泵板表面所受的最大沖擊力增加了[X]%，這會(huì)導(dǎo)致泵板的振動(dòng)幅度增大。泥沙濃度的增加也會(huì)使得泵板所受的壓力脈動(dòng)增強(qiáng)，進(jìn)一步加劇泵板的振動(dòng)。當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，泵板所受壓力脈動(dòng)的幅值增大了[X]%。泵板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生多方面的影響。振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致泵板與其他部件之間的連接松動(dòng)，增加部件的磨損，降低水輪機(jī)的可靠性。嚴(yán)重的振動(dòng)還可能引發(fā)共振現(xiàn)象，當(dāng)泵板的振動(dòng)頻率與水輪機(jī)其他部件的固有頻率接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，共振會(huì)使振動(dòng)幅度急劇增大，對(duì)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。在某水電站的實(shí)際運(yùn)行中，由于泵板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)引發(fā)了共振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響了水輪機(jī)的安全運(yùn)行。噪聲問題也是水沙兩相流動(dòng)特性對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性影響的重要方面。含沙水流通過泵板結(jié)構(gòu)時(shí)，泥沙顆粒與水流之間的摩擦、碰撞以及泥沙顆粒與泵板壁面的相互作用會(huì)產(chǎn)生噪聲。這些噪聲的頻率和強(qiáng)度同樣受到泥沙條件的影響。隨著泥沙粒徑的增大，泥沙顆粒與泵板壁面碰撞產(chǎn)生的噪聲頻率降低，但強(qiáng)度增大。當(dāng)泥沙粒徑從0.05mm增大到0.2mm時(shí)，噪聲的主頻降低了[X]Hz，而噪聲的聲壓級(jí)增大了[X]dB。泥沙濃度的增加也會(huì)使噪聲強(qiáng)度增大，當(dāng)泥沙體積分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2%時(shí)，噪聲的聲壓級(jí)增大了[X]dB。噪聲不僅會(huì)對(duì)工作人員的工作環(huán)境造成影響，長(zhǎng)期暴露在高噪聲環(huán)境中會(huì)損害工作人員的聽力，還可能掩蓋水輪機(jī)運(yùn)行過程中其他故障的聲音信號(hào)，導(dǎo)致故障難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。過高的噪聲還可能引起周圍居民的投訴，對(duì)水電站的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。為了改善水輪機(jī)的穩(wěn)定性，針對(duì)泵板結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲問題，可以采取一系列有效的措施。在設(shè)計(jì)階段，可以優(yōu)化泵板結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小泥沙顆粒對(duì)泵板的沖擊力和壓力脈動(dòng)，降低泵板的振動(dòng)幅度。增加泵板的厚度或改變泵板的材料，提高泵板的剛度和強(qiáng)度，也可以有效減少振動(dòng)。采用阻尼材料對(duì)泵板進(jìn)行處理，能夠消耗振動(dòng)能量，降低振動(dòng)幅度。在運(yùn)行過程中，合理調(diào)整水輪機(jī)的運(yùn)行工況，避免在高含沙量、高流速等惡劣工況下運(yùn)行，也可以減輕泵板的振動(dòng)和噪聲。還可以通過安裝減振和降噪裝置，如減振器、消聲器等，來降低泵板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲水平。6.3對(duì)水輪機(jī)過流部件磨損的影響泥沙對(duì)混流式水輪機(jī)過流部件的磨損是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的綜合影響。在實(shí)際運(yùn)行中，泵板結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪等過流部件與含沙水流直接接觸，不可避免地遭受泥沙的侵蝕。從模擬結(jié)果來看，在泵板結(jié)構(gòu)的間隙進(jìn)口處，泥沙濃度相對(duì)較高，且隨著泥沙粒徑的增大，泥沙在進(jìn)口間隙上部產(chǎn)生淤積的現(xiàn)象更加明顯。大粒徑泥沙在與泵板壁面碰撞時(shí)，由于其較大的動(dòng)能，會(huì)對(duì)壁面造成更嚴(yán)重的沖擊和切削作用，從而加劇泵板結(jié)構(gòu)的磨損。當(dāng)泥沙粒徑從0.05mm增大到0.2mm時(shí)，泵板間隙進(jìn)口處的磨損率增加了[X]%。在葉輪葉片前緣區(qū)域，由于水流速度較高，泥沙顆粒的沖擊作用更強(qiáng)，磨損強(qiáng)度和范圍也明顯增大。這是因?yàn)樵谠搮^(qū)域，泥沙顆粒與葉片的相對(duì)速度較大，碰撞能量更高，使得葉片表面的材料更容易被磨損掉。在實(shí)際案例中，紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行后，泵板結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪表面均出現(xiàn)了明顯的磨損痕跡。泵板表面的磨損呈現(xiàn)出不均勻的分布，間隙進(jìn)口處和與泥沙顆粒接觸頻繁的部位磨損較為嚴(yán)重，表面出現(xiàn)了明顯的劃痕和凹坑，導(dǎo)致表面粗糙度增加。轉(zhuǎn)輪葉片的磨損則主要集中在葉片的前緣和進(jìn)口邊，葉片厚度減薄，表面變得粗糙不平。這些磨損現(xiàn)象不僅改變了過流部件的幾何形狀和尺寸精度，還影響了水輪機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)分布，進(jìn)一步加劇了磨損的發(fā)展。磨損對(duì)水輪機(jī)使用壽命和性能的影響是顯著的。磨損會(huì)導(dǎo)致過流部件的強(qiáng)度降低，增加了部件損壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而縮短了水輪機(jī)的使用壽命。紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組由于過流部件的磨損，在運(yùn)行一定時(shí)間后，需要頻繁進(jìn)行檢修和更換部件，增加了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。磨損還會(huì)降低水輪機(jī)的性能，使機(jī)組效率下降、出力減少。由于過流部件表面粗糙度增加，水流的流動(dòng)阻力增大，能量損失增加，導(dǎo)致水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組在磨損較為嚴(yán)重的時(shí)期，水輪機(jī)的效率相比正常情況下降了[X]%左右，出力也相應(yīng)減少。磨損還可能引發(fā)水輪機(jī)的其他問題，如振動(dòng)和噪聲增大等，進(jìn)一步影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，深入了解泥沙對(duì)水輪機(jī)過流部件的磨損規(guī)律，采取有效的抗磨措施，對(duì)于保障水輪機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，提高水輪機(jī)的使用壽命和性能具有重要意義。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本文基于CFD方法，對(duì)混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性展開了深入研究，以紅山嘴一級(jí)水電站#4機(jī)組為具體案例，通過建立三維模型、合理設(shè)置邊界條件和參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，取得了一系列有價(jià)值的研究成果。在不同泥沙條件下，混流式水輪機(jī)泵板結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性呈現(xiàn)出明顯差異。渾水工況下，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力相較于清水工況有所增大。隨著泥沙粒徑的增大，間隙進(jìn)口和頂蓋出口之間的壓力差呈增大趨勢(shì)，且泥沙在進(jìn)口間隙上部產(chǎn)生淤積的現(xiàn)象愈發(fā)明顯，這是因?yàn)榇罅侥嗌愁w粒重力和慣性較大，在間隙進(jìn)口處易沉降堆積，阻礙水流，導(dǎo)致壓力升高和淤積。泥沙濃度增加時(shí)，泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力升高，水流速度降低，且同一位置處泥沙濃度增大，但泥沙分布規(guī)律不變，始終是從間隙進(jìn)口到出口濃度逐漸降低。泥沙條件對(duì)泵板結(jié)構(gòu)水沙兩相流動(dòng)特性有著顯著影響。泥沙粒徑的增大不僅使泵板結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力和壓力差增大，加劇泥沙淤積，還會(huì)導(dǎo)致泵板結(jié)構(gòu)磨損加劇，因?yàn)榇罅侥嗌?/p>