糙条新体型水力特性数值模拟与试验研究

以往的溢洪道弯段消能导流措施多适用于宽深比(溢洪道宽度与平均水深之比)较小的弯道,对于宽深比较大的弯段溢洪道消能导流问题研究较少。结合新疆"635"溢洪道整治工程,在一般工程措施解决弯段溢洪道横向环流的基础上,提出糙条辅助消能工的新体型。为深入探究糙条的水力特性及导流机理,通过模型试验结合数值模拟的研究方法;基于RNG k-ε湍流模型对弯段溢洪道7种工况进行数值模拟计算,并与试验结果对比研究。结果表明:针对大宽深比弯段溢洪道的消能导流问题,糙条新体型有传统辅助消能工无法取代的优势,且在解决弯道环流、降低水面横比降、缩短下游调整段距离的同时,水面流态依然较传统型消能工优越。     

多弯段溢洪道加设导流墩糙条后水流三维数值模拟

"635"水库为多弯段溢洪道 ,为了充分体现加设导流墩糙条等辅助消能导流措施对多弯段溢洪道水流的影响 ,通过标准 k- ε模型和VOF多相流方法并建立三维数学模型 ,得到了溢洪道各典型断面流速大小以及水深的分布规律.数值模拟结果与模型试验结果对比表明 ,使用的数值模型能较精确地模拟加设辅助措施后溢洪道的水流流态.结果表明溢洪道水流由于受导流墩糙条等辅助消能导流措施的影响 ,能有效控制弯道环流的发生以及缩短纵向流速分布调整的距离.从而为多弯段溢洪道的水力设计提供可靠的理论依据.     

弯段溢洪道导流墩联合糙条模型试验研究

为了研究弯段溢洪道中水流运动规律,建立了径宽比R/B为1.75的60°弯段溢洪道试验模型,通过改变导流墩联合糙条辅助消能工的布置参数,对实测数据进行分析,结果表明:导流墩联合糙条辅助消能工对水流有显著导流效果,可使水面横比降有效降低,使水面结构改善;长宽比L/B=0.187 5时水力条件优于L/B=0.125 0的,其最大消能率可达60%,水流动力轴线在弯道段,由凸岸向溢洪道中轴线靠近且出现不同幅度波动的趋势,在出口段,由凹岸一定程度向溢洪道中轴线迁移,大大缩短了纵向流速分布的调整距离。在弯道内合理地布置联合消能工既节省工程投资,又符合溢洪道水力特性要求。     

糙条对溢洪道连续弯段水流特性的影响

为探究溢洪道连续弯段水流特性及糙条消能工水力学特性,通过开展27组正交模型试验,结合消能率和超高变异系数筛选最优工况,采用RNG k-ε紊流模型与体积分数法（volume of fluid,VOF）对布设糙条和不布设糙条的溢洪道进行水流特性数值模拟对比研究。结果表明：糙条的布设使溢洪道沿程水深增加且变化剧烈;糙条能够抑制菱形波和折冲水流的产生,通过改善两弯段流态使水面均匀性提升38.0%和44.7%;布设糙条后,两弯段纵向流速均值被降低了45.16%和44.83%,各断面凹岸纵向流速的最大值沿水深下移;糙条的存在加剧了水流紊动,使两弯段纵向紊动强度均值增加了117.98%和71.05%,纵向紊动强度集中在凹岸衰减、凸岸增强,且各断面凹岸的最大值沿水深上移;糙条增大了床面动水压力,减小了两岸压力差,对压力分布形式有显著改善效果,有助于保护底板和边壁不易被冲蚀。研究成果可为溢洪道连续弯段设计及安全运行提供参考。     

弯段溢洪道导流墩联合糙条消能工水力特性试验研究

由于弯道离心力与边墙的作用,导致溢洪道内产生水面超高、横向冲击波等问题。为了充分体现加设导流墩糙条后对溢洪道内水力特性影响,通过对曲率半径与底宽比值为2. 2的60°弯段溢洪道试验研究,得到了不同试验方案下溢洪道各典型横断面的水深与水流动力轴线分布规律。结果表明:导流墩布设位置和个数均可以一定程度地改善溢洪道内水面结构形态,单一形式导流墩对弯道内水面结构改善效果不如导流墩和糙条联合布置形式; 5组试验方案最大水面差及最大水深在1/5～2/5弯道横断面和4/5弯道横断面相邻上下游位置发生频率较大,且导流墩糙条联合方案的水流动力轴线更趋向弯道中轴线;相比同类消能工,导流墩糙条联合形式布置在弯道内更加节约工程造价,且施工较方便,可为实际工程设计提供理论参考依据。     

横比降对糙率的影响

通过理论及广西武宣水文站的实测资料分析，得出水文测验断面设于河弯处，由于水流离心力的作用，会产生横比降，对糙率的计算产生影响，且有系统误差。指出水文测验断面设于河弯处是不合理的，如受自然条件限制必须设在弯道附近时，应同时观测左右岸断面水位，这样才能较准确地计算出河道的比降和糙率。     

东山拦河闸加固改造工程消能研究

由于东山拦河闸下游消力池遭受破坏,且下游河道河床下切、水位降低,需对拦河闸下游消能工进行加固改造。通过水工模型试验,在东山拦河闸现状下游消力池加固改造的基础上,为了确保消力池下游海漫段的安全运行,在海漫段上设置消力墩和消力坎等辅助消能工。研究表明:消力池下游海漫段上设置了消力墩和多级消力坎之后,海漫段的泄流消能率最高可达约50%,确保了出池水流较平顺地与下游河道水流衔接。研究成果得到了工程建设的采用,可供类似工程设计和运行参考。     

三峡库区重庆段一维水流模型糙率修正分析

为寻求河道水流一维数值模拟计算中关键参数“糙率”的确定方法,采用MIKE11一维水动力模型模拟了三峡库区重庆段(寸滩至长寿)37个断面的水位流量变化。首先用经验的方法确定模拟计算的初步糙率;然后以天然河道上、下游某断面流量作为边界进行模拟计算;再将得到的各断面的模拟水位值代入各测量断面,得到此断面的过水面积、水力半径和流量模数;最后将通过规范公式计算的糙率代入一维水流模型中进行计算,从而得到修正的糙率。结果表明：该方法能够有效提高模拟的精度,减小糙率对模拟结果的影响,对我国其他大江大河的水流数值模拟研究具有重要的参考和应用价值。     

青草沙水库闸下海漫段加糙体消能效应的数值模拟

为了进一步提高青草沙水库的换水能力,从雷诺平均Navier-Stokes方程和标准 k-ε 湍流方程出发,基于流体力学的相关理论和SIMPLE算法,数值模拟加大青草沙水库排水量条件下,下游水闸闸门下游水流特性以及对底部冲刷效应。结果表明:在海漫段布置四脚空心块体进行加糙时,可以调整海漫段近底流速分布,降低海漫段近底流速,而且布置四脚空心块体数量越多,增加糙率的效果越显著。从工程经济角度出发,在距离海漫段入口13m处布置2排交错排列的四脚空心块体、在35m和57m处各布置1排四脚空心块体的方案能达到最佳的消能效果。此外,护面块体间距的减小有利于增大底部的粗糙率和壅高水位,但是对减小护滩段下游的近底流速并不显著。     

溢洪道弯段糙条消能工消能率试验研究

为研究溢洪道弯段布置糙条消能工的消能特性,在新疆“635”溢洪道整治工程的研究基础上,通过量纲分析,建立了糙条消能率多因素影响模型;采用正交试验原理,对溢洪道弯段糙条消能工的布置进行正交试验并根据试验结果进行多重回归分析,得到了反映糙条布置参数和溢洪道工程参数的消能率计算公式;然后为探究各因素影响大小进行了相关性分析,并定义无量纲因子k来反映糙条消能工的综合特性。结果表明:溢洪道工程参数对消能率的影响较大,而糙条布置参数除布置角度外影响均较小;无量纲因子k与消能率和水面横比降均呈负相关关系,且改变糙条布置参数对水面横比降的影响较消能率大;k值的波动范围在0.016~0.049之间,当消能率最大时,k=0.025,水面横比降最小时,k=0.037。提出的消能率多因素影响模型是一种半理论半经验计算公式,可为实际工程设计提供理论依据。     

基于平均流动动能输运的离心叶轮内能量损失及其机理分析

叶轮内能量损失是影响离心泵水力性能的关键因素,为探明离心式叶轮内的能量损失特性,本文采用可直接求解大尺度湍流结构的超大涡模拟方法对某低比转速离心叶轮三种流量(分别为1.0,0.6和0.25倍设计流量)下的内部流动进行数值模拟,基于平均流动动能输运研究叶轮内的流动特征、能量损失特性及其机理。通过积分平均流动动能输运方程的直接黏性耗散项和湍动能生成项,分别计算直接黏性损失和湍动能生成对应的平均流动动能损失,建立流场特征与能量损失的关联,获得流场中能量损失的空间分布特征。结果表明,叶轮内直接黏性损失集中在近壁区,且随流量降低而显著减小;湍动能生成是平均流动动能损失的主要形式,其与叶轮内流动的剪切效应直接相关,在叶片压力面,脱流和分离涡形成强剪切流动,湍动能生成项周向-周向分量(P_θθ)和径向-周向分量(P_rθ)将增加周向和径向速度脉动而使湍动能增加,径向-径向分量(P_rr)则减小速度脉动的径向分量,从而抑制平均流动动能转换为湍动能;对于叶片吸力面分离流动及叶轮出口回流所形成的强剪切流动,P_rθ和P     

鱼道进口补水消能数值模拟研究

鱼道设计中常采用进口段开挖设置补水消能池的方式提高鱼道进口流速,强化其诱鱼、集鱼、进鱼能力。而补水水体与消能池水体掺混,会对鱼道内水体产生明显扰动,导致鱼道内（消能池部位）流态紊乱。为了能够完整捕捉尺度小、变化复杂的紊动流场结构,获得适合鱼类洄游的紊动能分布,采用三维数学模型对某电站鱼道进口补水消能复杂三维流场进行模拟研究,求解紊动能参数,优化了盖板补水消能方案。研究结果表明：在消能池顶部设置盖板,补水水流自盖板间的缝隙进入鱼道,可强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团,涡团尺度变小后,黏性切应力易于将紊动能转化成内能而耗散掉,使鱼道内紊动能降低;另外,通过调整盖板缝宽,使补水出流相对均匀,也可降低紊动能;缝宽首尾窄、中间宽的布置型式使各缝隙垂向流速分布较为均匀,有利于鱼类洄游。研究成果可为此类工程过鱼设施进口段设计提供科学理论依据,以获得稳定、均匀的补水水流,提高鱼道进鱼能力。     

丁坝附近区域水流动能修正系数研究

为研究丁坝附近水流动能修正系数的变化规律,以加单丁坝的水槽为对象进行实验,研究丁坝附近断面动能修正系数的变化,得出动能修正系数与纵向距离、丁坝坝长、丁坝挑角及水流流量之间的关系,并以实验数据为依据,建立了计算动能修正系数的数学公式。     

天然河道水流动能校正系数的分析与应用

文章通过对实测资料的分析研究,得出了动能校正系数的分布规律,解决了规范中给出的范围小且与实际情况相差较大的问题。达到准确计算流量的目的。     

大峡水电厂机组动能参数在线监测

文章介绍了水轮机、水泵和大管道流量监测方法和大峡水电厂机组动能参数在线监测系统，并得出如下结论：①差压法是水轮机、水泵和大管道流量监测方法中费用最低，安装调试和运行维护最方便，适用于各种机型和条件；②微机型监测装置自动化水平高，功能齐全，技术先进。     

基于能量比系数的圆柱栅绕流LES方法研究

圆柱阵列流场不但是工程上常见的流动换热结构,而且绕流问题与湍流涡发展研究密切相关。该文采用数值模拟算法研究了不同雷诺数下的单列圆柱栅绕流的不可压缩流动。比较了非定常RANS方程计算得到的湍动能和耗散率,引入湍流能量比系数对初始计算网格进行重新划分和局部加密,进而建立适宜于大涡模拟网格尺度,其结果与PIV和RANS结果进行对比。结果表明,在湍流流场区域能量比系数达到30%-40%的情况下,就可得到工程实际需要的精确计算结果,这大大减少LES算法所需要的计算网格总数和时间。     

嵌套短期弃电风险的水光互补中长期优化调度研究

传统水光互补中长期调度模型未考虑光电的短期随机波动性,忽略了短期弃电风险,由此制订的调度规则难以有效协调光电消纳与流域水资源综合管理。本文提出嵌套短期弃电风险的水光互补中长期优化调度方法。首先,分析水电与光电联合运行过程中可能产生的弃电情形,并对弃电损失进行量化;其次,基于日调度模型的多情景分析制订中长期弃电损失函数,以定量表征水电出力与光伏弃电率之间的关系;最后,将弃电损失函数嵌套在中长期优化调度模型中,推导互补系统的适应性调度规则,识别水库年末消落水位关键控制因子。以龙羊峡水光互补工程为实例,研究表明:(1)弃电损失函数呈S形,水电出力过低或过高均不利于光电消纳;(2)月末水位/库容为输出变量、可用能量为输入变量的调度函数能较好地指导水光互补中长期调度;(3)互补情景下水库年末消落水位受年初水位、当年水流入能和当年水电站发电量显著影响,而受光伏年发电量影响较小。     

开发利用水能资源改善地球环境保护良好生态

能源是人类文明进步的动力。当前人类社会主要依靠不可再生的矿物能源，如煤炭和石油，其需求不断增加。而储量逐步减少，供求的矛盾日益凸显。随着人类历史进程不断向前迈进，矿物能源终将枯竭，无法持续利用。水能资源的总量有限，但它是可再生的清洁能源，其能量是无限的。因此，充分利用有限的水能资源，减缓矿物能源的枯竭进程，是改善和保护地球生态与环境最现实的措施之一。     

基于雨滴谱观测的降雨动能与雨强的关系研究

降雨动能是土壤侵蚀的重要影响因素,已有研究拟合了降雨动能KE与降雨强度I(简称雨强)的多种经验关系模型,但缺少相应的理论分析。为揭示降雨动能与雨强的理论关系,基于雨滴谱的Gamma分布,推求了降雨动能与雨强关系的理论公式KE=AI~m,其中A与m为参数;并利用清华大学榆林生态水文观测站设立的德国OTT Parsivel-2雨滴谱仪2018年6月10日—8月10日及2019年6月10日—8月10日的观测数据,对理论公式进行分析。结果表明:该理论公式能很好地描述该地区降雨动能与雨强的关系,该关系受降雨特性及环境条件影响;参数A与雨滴密度、降雨形状因子、环境条件因子及雨滴形变程度相关,m与降雨形状因子和雨滴形变程度相关,由榆林站实测数据分析得出A的变化范围为2.7～12.8,m的变化范围为1.2～1.6。研究还发现,已有的经验关系可以表示为该理论公式在不同参数取值下的近似。     

清洁能源与优质电源论析

简要论述了开发利用清洁能源、可再生能源和优质电源的意义,这些能源在我国的蕴藏量及开发现状。我国今后能源建设的方针是继续大力布局与开发水电能源,继续优化火电能源结构,有序地发展核电,科学地发展风力发电和太阳能发电,并积极探索其他新型能源。