大中型泵站在水资源的时空调度以及防洪排涝等方面均扮演着重要角色,其中轴流泵因流量大、扬程低、比转速高等特点成为泵站系统中最常见的工程设备。然而,机组运行难免对流域内水生生物的生存产生威胁,尤其是过机鱼类的高死亡率现象。为了降低鱼类在通过泵站系统与过流部件时的撞击概率与死亡率,本文基于CFDDEM耦合方法,利用球形颗粒捏合鱼体外轮廓三维结构,模拟鱼类在泵站轴流泵中的运动情况,结合叶片撞击数学模型,研究鱼类通过泵站系统与叶轮的撞击概率。通过分析鱼类在流场内运动过程中速度、表面压力以及剪切速度的变化,研究鱼类过机损伤度和死亡率,从而为进一步优化叶片设计提供一定的理论支撑。本文开展的主要研究工作以及取得的主要研究成果如下:(1)通过大量文献阅读,分析国内外专家学者对叶片撞击数学模型以及鱼类损伤机理的理论成果,针对目前研究鱼类在流场中实际运动特性较少的现状,采用CFD-DEM耦合方法模拟鱼类在轴流泵流场中的运动规律以及鱼类表面受力、受压情况。(2)针对鱼类模型占流场总体积分数不足10%且颗粒粒径较大等特点,选取欧拉-拉格朗日法模拟鱼类在流场中的运动特性。在鱼类模型运动计算中除了考虑重力、浮力、曳力、虚拟质量力以及压力梯度力等对颗粒的作用外,还考虑了颗粒间碰撞和颗粒自身旋转对计算结果产生的影响。(3)以荷兰Bosman公司BVOP125-Ⅲ-140型轴流泵为原型,模拟计算了其水力性能,并与实验结果进行对比,验证了数值模拟方法的可行性,并系统阐述了模拟误差产生的原因;以鱼类模型三维坐标与监测点间的相对距离为判定鱼类是否与叶片发生撞击的判定依据,统计鱼类撞击概率,并与叶片撞击数学模型撞击概率数据对比,验证CFD-DEM方法模拟鱼类撞击概率结果的可信度。(4)研究鱼类在鱼类友好型轴流泵中的撞击概率,基于鱼类损伤机理,分析鱼类在流场中的运动速度、加速度、表面压力波动以及剪切速率的变化,结果表明:鱼类与叶片前缘发生撞击是造成鱼类损伤最主要的原因,表面压力波动和剪切速率由于作用区域小,时间短,除叶片轮缘处撞击外,不会对过机鱼体造成实质损伤。(5)通过讨论鱼类友好型泵在不同流量进口和不同转速下的流场特性,分析流场中叶片域的压力、速度流线分布以及空间螺旋式蜗壳导流部件断面压力分布,研究鱼类在不同运行工况下的通过性能。结果表明:鱼类在大流量、低转速工况下撞击概率较低,通过性能较强。研究成果已在工程实际中得到应用。