配水枢纽水力控制的仿真研究

配水枢纽是长距离调水工程和大中型灌区中一种常见的水工建筑物,是连接引水工程和配水工程的中枢。若配水枢纽库容足够大,可视为常水位边界,引水工程和配水工程的水力过渡过程分别计算;否则,需要耦合引水工程、配水枢纽和配水工程,对整个输水系统进行数值仿真。本文通过理论分析构建了配水枢纽进流、出流、溢流复杂运行条件下的质量和能量守恒方程,给出了牛顿－辛普森离散方法和基于Preissmann四点隐式差分的计算程序,建立了配水枢纽的理论模型;针对可能碰到的多进水、多出水、有压无压耦合等工况,给出了数值求解方法。以引汉济渭工程黄池沟配水枢纽作为典型案例,研究了南干线和北干线配水流量调节的水力过渡过程,给出了黄池沟、南干线、北干线的流量、水位变化,以及越岭隧洞的影响范围及变化量值,可为工程的运行调度提供参考。     

可控高扬程水锤泵模型试验

为解决现有实验室厂房高度不足,无法对水锤泵高扬程的性能进行模型试验的技术难题,提出了一种高扬程水锤泵模型试验的设计方法。根据水力学原理,通过在试验平台的扬水管线路上,并联增设可调节局部阻力元件的技术,实现了水锤泵扬程的控制和调节。利用该技术开发了可控高扬程水锤泵实验平台,并对研制的新型水锤泵进行模型试验,验证了该技术用于研究水锤泵高扬程性能的可调节性和稳定性。试验结果表明,新型水锤泵的效率最高可达70%;以日扬水量大于1 m3作为临界点,可将水扬送至42倍作用水头的高度,大于同尺寸水锤泵的32倍。     

无资料或少资料区河流流量监测与定量反演

河流流量是流域水循环和水文计算的关键因素,受复杂地形、恶劣气候或经济、政治等因素的影响,无资料或少资料区水文站点的建设、维护和流量测量极为困难。为解决上述问题,将常见的河道过流断面概化为三角形断面和幂函数型断面两种形态,通过水力分析建立水面宽与流量函数关系的一般表达式,结合实时、高效、观测范围广和数据量大的遥测技术,提出了一种适用于无资料或少资料区的、水力学与遥感相耦合的径流反演方法,并基于模型实验和野外实测资料对提出的方法进行了校验。根据模型实验水面宽反演的56组流量,相对误差平均值为18.77%;其中,40组数据与实测流量的相对误差小于20%,占比为71.43%。根据野外实测水面宽反演的流量,相对误差平均值为20.71%;其中,64.66%的数据与实测流量的相对误差小于20%,86.03%的相对误差小于30%。本文提出的方法能够较为准确地反演河流流量,为无资料或少资料区径流的实时高效监测提供了一种解决方案。     

并联引水发电系统等效简化水击计算

为加快电站输水系统初期设计阶段"一洞多机"的并联引水发电系统同时甩负荷工况的数值建模和水击计算进度,从管道水击方程和水轮机组边界条件入手,推导了并联支管和并联水轮机组水击计算的等效简化关系,从而实现将"一洞多机"的并联引水发电系统等效简化为"单管单机"的简单系统。通过算例和工程实例对比分析了等效简化前后的水击计算结果,检验了简化模型的可靠性和精度。结果表明:等效简化后尾水管进口最小压力水头的最大相对误差小于5%,蜗壳最大压力水头和机组最大转速上升率等调保参数最大相对误差均小于2%,能够满足初期设计阶段水击计算的精度要求。     

管网故障水力瞬变检测实验系统研发

为克服传统管网故障检测系统模型校验误差较大及基于恒定流模型检测的不足,尝试基于瞬变流模型方法设计开发一种能够兼顾模拟泄漏孔、局部阻塞在内的管网实验平台系统,用于水力建模的校验测试和故障检测,并提出相应故障辨识方法。该平台包括常规供水水箱、简单管网、实验控制系统、变速泵、管网故障模拟装置、低强度瞬变流激发器等,以RSView组态软件为基础研发了管网故障水力检测实验平台的SCADA系统,实现水位、流量、压力和阀门激励动作等计算机自动控制以及实时监测和采集。其中新的可控式低强度瞬变流激发器可取代传统阀门,能够产生阀门关闭激发瞬变水击波的类似效果,克服了传统管道试验平台末端关阀造成的水锤压力波动过大和不易控制的缺点。该实验平台拓展了管网实验室故障控制模拟和检测的思路,为支撑和推广实用化的智慧供水管网及故障检测技术研究提供了手段。     

长江源区年际冰水情变化及其影响因子分析

受限于高寒山区地形、气候和环境条件,目前关于长江源区河流的冰水情研究较少,源区降雨径流年际变化和冰盖分布等规律不明确。为了明晰长江源区水文与水资源现状和冰水情本底,本文收集整理了2006—2018年沱沱河和直门达水文站近十年的降雨、蒸发、径流、水温、气温和冰厚资料,采用统计分析、线性回归、单一因子分析和相关性分析等结合的研究方法,重点揭示了源区河流流量、冰期和冰厚现状、其年际变化特征和主要影响因子。研究表明,源区河流洪峰年际波动范围超50%,洪峰集中在7—9月,非汛期流量仅为汛期流量的1/7,非汛期流量年际波动小于汛期,且直门达站水位流量年际变化幅度小于上游沱沱河站;沱沱河站冰期持续时间7个月,而下游直门达站冰期为5个月,多年平均冰盖厚为0.15 m,造成两站冰情差异的主要原因是源区垂直地形急变引起的高程差;源区降雨量年际波动与年际径流波动一致,蒸发量年际波动仅为降雨量的一半,因此两站流量的年际波动受降雨影响较大。长江源区降雨和气温变化是冰水情变化的主要驱动因子,与源区河流的地形高程密切相关,亟需系统的科考进一步明晰长江源冰水情时空变化规律。     

水锤泵内部流道优化及性能研究

水锤泵是一种不用电和油的自动泵水机械,在缺电、无电的山区、农村具有广阔的应用前景。为解决传统设计过程中难以对流道进行评析、研发周期长以及产品性能低的难题,提出了水头损失系数、阀瓣升力系数、阀瓣受力偏心距和出口流速分布均匀度的水锤泵内部流道评价指标和相应的数学模型,建立了采用前扩式和后扩式流道的水锤泵数值模型,并进行了分析对比。前扩式和后扩式流道的水头损失系数分别为4.51和3.72,泄水阀的升力系数分别为4.11和2.23,泄水阀受力来流方向的偏心距分别为0.21 mm和2.02 mm,泄水阀出口的流速分布均匀度分别为47.8%和69.2%。经对比,后扩式流道的水头损失系数和泄水阀升力系数小,受力偏心距大,出口流速分布均匀度高,是一种较为合理的布置形式。选择后扩式流道制造生产了新型水锤泵,在不同作用水头和扬程下进行多工况性能测试,建立了扬水量评估公式,给出了所需的来水量。     

河工模型试验加糙方法综述

原模型阻力相似是开展河工模型试验的基本要求,模型试验的糙率复核受目标值、波动幅值、模型材质及研究重点等多因素的影响,选用合理的加糙手段可大幅提升试验效率和精度。为解决现阶段河工模型试验中存在的加糙方法种类繁多、技术条件复杂、难以快速选择适宜加糙方法的问题,对国内外常用的加糙方法进行了归纳总结,将加糙方法划分为点块型加糙、条带型加糙和膜片型加糙三种方法。介绍了每种方法常用的加糙体,详细说明了各加糙方法的实现手段、优点、不足以及糙率值的可调整范围。草垫为代表的膜片型加糙可实现的糙率峰值达0.08以上,梅花十字板加糙可实现的糙率峰值约0.06,条带型加糙可实现的糙率峰值约为0.04,粘贴尼龙网、玻璃膜以及密实加糙可实现的糙率峰值约为0.02,刨坑加糙方法基本不能提高模型表面糙率。给出了相应的适用条件、加糙范围及对水流结构的影响,以及部分糙率计算方法,以期研究者可根据试验目的快速准确地选取适宜的加糙方法,提高研究效率。     

水锤泵空气罐气体热力学过程的系统辨识

通过对一种自主原创的新型水锤泵的模型实验,研究了空气罐的热力学过程及液位特性对水锤泵性能的影响,提出了分析空气罐气体热力学过程的系统辨识方法,并通过对实测数据的系统辨识,得到了影响气体热力学过程的关键参数—多变指数k的变化规律。研究结果表明:空气罐气体热力学过程的多变指数介于等温过程(k=1.0)与绝热过程(k=1.4)之间,一般小于1.2,并且随着扬程的增加而减小。输水阀关闭过程中,空气罐内的水向泵体回流,使得扬水量减小,因此,改善输水阀的启闭特性,减小回流量,可提升水锤泵的性能。