当前,面广量大的中小型泵站普遍采用开敞式进水池的进水形式,开敞式进水池易形成危害极大的水面吸气漩涡。为消除水面漩涡,对开敞式进水池进行封闭式改造。前期模型及现场实验研究均表明,开敞式进水池经过封闭式改造后,虽然消除了水面漩涡,但是诱发了新的顶板附壁涡。随着江苏省灌区改造和中小型泵站更新改造的实施,拓宽泵站稳定运行范围,防治顶板附壁涡显得十分迫切和必要。在此背景下,本文以模型实验为手段,采用图像处理、高频压力脉动测试和时频分析的方法,结合数值模拟,对封闭式进水池顶板附壁涡的发生机理和防治措施展开研究,主要研究内容和结论如下:(1)研究了不同湍流模型下的封闭式进水池的水力性能和顶板压力场特性,分别对叶轮和封闭式进水池开展了网格无关性分析。预测结果与实验结果对比表明Standard k-ε湍流模型预测高效区与实验一致,且Standardk-ε湍流模型对顶板的压力分布预测较为准确,最终选用Standard k-ε湍流模型作为后续研究的湍流模型,网格无关性分析表明叶轮网格单元数大于30万,封闭式进水池网格单元数大于50万后,计算结果趋于稳定。(2)设计建立了具有透明观测实验段的封闭式进水池循环实验装置,实验装置可进行顶板附壁涡流动机理、压力脉动、水力性能和消涡措施实验。研究了水深、顶板高度和来流偏流对封闭式进水池水力性能的影响,试验结果表明:水深越低,入流水流受到的扰动越大;顶板高度下降,封闭式进水池内出现附底涡,附底涡较顶板附壁涡对泵装置性能及稳定运行危害更大;来流偏流会使得泵装置扬程下降。研究了采样时间、窗长度和帧重叠长度对压力脉动时频特性的影响。结果表明采样时间越短,压力脉动频谱的分辨率越小;窗长度越大,压力脉动的频率分辨率提高,压力脉动的时域分辨率减小;帧重叠长度越长,压力脉动时频特性分辨率越高,但消耗计算资源增大;经过比较,确定采样时间为1s,采样频率为105Hz,窗长度为0.6fs,帧重叠长度为0.6fs。(3)揭示了封闭式进水池内顶板附壁涡的主要形态,阐明了顶板附壁涡的时空演化过程。试验表明,顶板附壁涡的主要形态可分为圆弧形(I型)、钩形(II型)、海豚形(III型)、螺旋形(IV型)、直线形(V型和VI型)等形态。I型顶板附壁涡发生发展演化过程可分为先兆、初生、发展、成形和溃灭5个阶段,每个阶段顶板附壁涡具有不同的形态特征。在顶板附壁涡的成形阶段,水汽被吸入水泵,对水泵运行的影响最严重。在顶板附壁涡发生工况的整个时段,靠近水泵后壁顶板区域压力脉动幅值均显著较大,压力变化急剧。在顶板附壁涡发生工况的无涡时段,水泵与后壁之间顶板的其他区域压力脉动主要受转频影响;涡发生区域监测点的压力脉动主频不随时间改变,主频压力脉动幅值略有波动。在顶板附壁涡发生工况的有涡时段,涡附着区域的压力脉动频谱有两个特征,一是由压力下降引起低频脉动幅值显著增大,顶板附壁涡的特征低频频率为1.11 Hz;二是涡附着区域的叶频压力脉动幅值随涡的发展溃灭而先增大后减小。在顶板附壁涡的初生阶段,涡附着区域的压力脉动主频保持稳定,涡的初生阶段涡对附着区域的扰动较小;顶板附壁涡发生时,涡附着区域的压力脉动低频分量的能量明显提高。对顶板附壁发生的工况进行非定常数值模拟,数值模拟预测的顶板附壁涡发生位置和相对强度与实验吻合。揭示了顶板附壁涡的形成机理,顶板上入流水流与后壁水流交汇,形成直线形的水流交汇界线,交汇界线处水流发生强烈的剪切作用,在交汇界线的两端形成了漩涡,实验发现水流交汇界线区域的压力脉动频谱的特征频段为200 Hz-400 Hz。(4)基于统计的方法,分析了流量、水深和顶板高度参数对顶板附壁涡发生频次的影响,结果表明顶板附壁涡的历时过程中,存在“平静期”和“活跃期”的特征;顶板附壁涡的发生次数与流量呈现正相关特性,与水深呈现负相关特性;随着顶板高度下降,顶板附壁涡得到消除,但会诱发新的漩涡——附底涡。研究了不同流量、水深和顶板高度工况下顶板附壁涡发生的压力场特性,结果表明随着顶板高度的降低,水泵后方的压力陡降的低压脉动消失,顶板附壁涡发生的前兆之一为水泵后方顶板上出现了瞬时深V形的水压力陡降特征,该特征低压脉动强度与流量参数呈现正相关关系,与水深参数呈现负相关关系;特征低压脉动发生区域的平均压力随流量减小而降低,随水深减小而升高。顶板附壁涡发生的前兆之二为顶板上涡发生位置叶频压力脉动幅值的出现极值点,叶频压力脉动幅值在顶板附壁涡发生的区域最大,叶频压力脉动幅值随着流量减小而降低,叶频压力脉动幅值在水深降低情况有所增大。顶板上的叶频压力脉动强度随着顶板高度下降而减小,在低顶板高度工况(无涡工况),叶频压力脉动分布发生明显变化。(5)发明了两种新型消涡方法,可有效消除封闭式进水池顶板附壁涡。研究了 W形后壁的高度和中隔墩的位置对其消涡效果的影响,结果表明W形后壁的高度和中隔墩位置参数均对顶板附壁涡的消涡效果有明显影响,且参数设置不当会在顶板上诱发新的漩涡,推荐W形后壁方案的高度为2.88D和中隔墩位置为0.950D。研究了不同封闭式进水池后壁形式方案的消涡效果,结果表明弧形后壁方案对顶板附壁涡抑制效果较小;在后壁处加入中隔墩的消涡结构能够明显抑制顶板附壁涡;梯形中隔墩方案能够完全消除顶板附壁涡,并得到实验验证。研究了4种壁面栅条方案的消涡效果,结果表明顶板壁面栅条厚度影响对顶板附壁涡的消涡效果,栅条厚度过小不能消除顶板附壁涡,顶板壁面栅条厚度为0.17 D的方案能够消除顶板附壁涡,并得到实验验证;两侧壁面栅条可消除侧壁面的漩涡,顶板壁面栅条的数量影响顶板附壁涡消涡效果,栅条数量过小不能消除顶板附壁涡。