不对称地形下进/出水口明渠段环流特性研究

为研究不对称地形下明渠段内的环流特性,以一抽水蓄能电站上水库为研究对象,对引水明渠内部的流场进行了详细的数值模拟分析。研究发现,由于明渠前方及两侧的地形边界不对称这类不利地形条件,明渠内产生了较大范围的环流,不仅影响明渠内的水流流态,还降低了各进/出水口拦污栅断面水流的均匀性,属不利的水流现象。针对这一情况,提出通过加大明渠连接段长度并扩大明渠一侧开挖范围可以使环流位置远离进/出水口,在一定程度上改善明渠内的水流流态,降低拦污栅断面水流不均匀程度,减小环流的不利影响。本文研究成果可以增大抽水蓄能电站进/出水口选址的灵活性,避免大范围的开挖,为抽水蓄能电站明渠布置方案的设计提供有益的参考。     

调水工程明渠非恒定流解析近似控制模型研究

本文用线性化圣维南方程研究调水工程明渠输水道多渠段非恒定流,以用于明渠水流运动过程的控制系统设计。文中给出明渠物理属性对渠段水流控制方式选择影响定量分析方法,并推导出以闸门开启面积为控制变量、渠段上下游水位为被控变量的多渠段解析近似传递函数模型。模型准确性通过假设的调水工程输水渠道(包括三段渠段和四个控制闸门)实例验证。     

梯形明渠–马蹄形隧洞过渡段流动形态与局部水头损失研究

本文以新疆克拉玛依引水工程西干渠为背景,通过物理模型试验研究了从梯形明渠到马蹄形隧洞进口过渡段的水面衔接特点和局部水头损失规律。模型采用重力相似设计,比尺为1∶25,由有机玻璃制成。在试验过程中,测量了流量在3.88~17.05 L/s范围内水面线的纵向变化,发现当流量大于13.37 L/s时,洞口水面壅高,洞内存在水面波动,分析认为是由侧壁收缩引起的水面紊动所致。根据水深变化和平均流速计算得到过渡段局部水头损失,发现其随水面收缩角增加呈先减小后增大的趋势,进口过渡段局部水头损失系数为0.19~1.24。针对原模型试验发现的问题,模型试验中延长了过渡段,对扭曲面段、矩形段长度进行了优化。模型改进后,水流平稳,波动减弱,局部水头损失系数减小至0.05~0.82。试验结果为实际工程梯形明渠到无压隧洞的过渡段设计提供了依据。     

明流泄洪洞内闷顶水跃及解决措施的研究

在某抽水蓄能电站下水库泄流试验研究中发现,进出口高程差较小的明流泄洪洞在泄洪期能正常运用,但在泄水过程的某一阶段,泄洪洞中会出现水跃并在洞内游移:库水位下降,水跃上移、强度降低;库水位上升,水跃后移、强度增加。伴随水跃发展、跃后水深增加,很容易形成闷洞,直接影响过渡过程中的泄洪洞安全运行。另外洞末端射流顶冲下游河道防护堤,为了消除洞内水跃隐患并改善洞下游流态,提出了在泄洪洞末端挑坎段设置转角与侧堰的修改思路:通过弯曲挑坎调整射流方向,理顺河势;利用挑坎段环流控制侧堰分流抑制强水跃发生。试验表明在泄水过渡期内,侧堰充分利用环流特性,有效遏制了出口水深与水跃强度,避免了闷顶现象;同时弯曲挑流段也改善了射流角度与下游河势。     

高水头大流量泄洪洞侧壁掺气设施水力特性研究

本文利用模型试验方法,对高水头大流量泄洪洞高流速明流洞段边墙掺气设施的水力特性开展了系统研究。在分析侧壁掺气效果的影响因素及下游边墙水翅成因的基础上,提出了两种防水翅侧坎体型,该体型通过控制侧空腔长度沿水深方向的变化,在保证掺气效果的同时能有效抑制侧墙水翅的形成。研究还表明,设置侧壁掺气设施一般会影响底部掺气效果,应对掺气底坎和侧坎进行整体优化。最后,基于对侧坎水力特性的综合分析,提出了侧壁掺气设施体型设计原则及优化方法。     

水电站多层进水口水力特性数值模拟研究

结合糯扎渡水电站、锦屏一级水电站和光照水电站,采用k-ε紊流模型对其多层进水口水力特性进行了三维数值模拟,对进水口水头损失、流速分布以及流态等方面进行了比较研究。数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。研究结果表明,不同体型的多层进水口的水力特性差异主要取决于叠梁门墩的体型和叠梁门后进水室宽度。研究成果对多层进水口的体型设计具有指导意义。     

溢洪道出口扭曲型挑坎水流的数值模拟

采用k-ε紊流模型,VOF方法跟踪自由水面,求解三维N-S方程对三种不同出口挑坎体型的溢洪道内水流流动进行了数值计算分析,得到了出口挑坎段的水流流动参数分布,并详细计算了出坎水流的抛射形态。通过比较分析,优化挑坎体型,为工程设计提供参考。     

明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究北大核心CSCD

明渠自掺气现象常见于水利工程,当水流流速较高时,空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流,水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验,而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型,利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证,掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好,说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现,对于明渠完全掺气水流,掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部,使得壁面对掺气水流阻力作用减小,造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。     

锦屏一级水电站分层取水叠梁门进水口水力特性研究

本文结合锦屏一级水电站叠梁门分层取水进水口的布置,通过水工模型试验,对电站进水口的水力特性进行了系统研究.研究结果表明,通过控制门顶水头可避免进口水流产生旋涡等不良流态;进口叠梁门及闸墩段压力呈线性分布,压力脉动较小;进水口叠梁门顶上方底部流速较大,门后竖向流道内流速分布不均匀;进水口设置叠梁门后水头损失明显变大,且水头损失随叠梁门高度成比例增大.研究成果为工程分层取水进水口的设计提供了参考依据和指导.     

大型水电站分层取水进水口水力特性的研究

分层取水进水口近几年来兴起的一种新型的进水口形式,它兼有发电引水和生态保护的功能.为全面研究这种进水口的水力特性,本文采用可行性k-ε(Realizable k-ε)紊流模型对分层取水进水口进行了三维紊流数值模拟.获得了进水口三维流场的特征及水力特性,并与按重力相似准则设计的1:40的模型试验进行了对比分析,数值计算结果与模型试验结果基本吻合,这表明数值模拟结果得到了物理模型试验的验证,本文的研究方法是正确有效的,且研究结果可供相关工程参考.     

进口形式对浅水垫消力池水跃特性的影响

针对泸定水电站3#消力池出口边界不对称的特点,通过单体局部模型试验对三种不同进口衔接形式的浅水垫消力池内的水跃形态进行了对比分析。研究结果表明,消力池进口形式对水垫深度影响较大,直接决定了水跃是否能够形成及其稳定性。多级台阶进口最适用于入池主流能够充分靠近底部又能保证一定水垫深度情况,在水流入池角度较小时主流远离池底水垫厚度过大时,则容易形成面流流态;圆弧进口可以将入池水流导向池底,但进口扩散段在出口不对称性和尾坎的顶冲反射作用影响下,导致水垫厚度不均匀,从而产生不稳定斜向水跃,同时影响边墙的稳定性;采用一定长度的等宽圆弧进口则可使得池内水跃流态稳定,消能效果良好。因此,浅水垫消力池要充分发挥其优势,在实际应用时需重视进口形式的设计,以形成合适的浅水垫。     

侧式进/出水口及邻近围堰环流消除优化研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口施工完成后,往往对其施工围堰采用不完全拆除方式,从而形成残留围堰.当水库运行水位较低时,进/出水口前方水面在残留围堰和地形的影响下,很可能出现不利环流现象.这种不利环流,在出流工况下易造成进/出水口前方水面波动较大,在进流工况下易诱导进/出水口上方形成有害漩涡.本文以潍坊抽水蓄能电站下水库侧式...     

离心压缩机弯道回流器子午型线的改进研究

以某大型多级离心压缩机第1级为研究对象,在设计工况下对其内部的三维可压缩黏性流动进行数值模拟并对子午面流动进行分析,发现弯道进出口附近各存在一个明显的气流分离区域,且弯道进口处的气流分离比出口处更加严重。针对这一主要问题,该文对该级弯道回流器的子午型线进行了改进。改进的主要思路是减小弯道前半部分通道的扩压度,并同时加大弯道出口内侧的转弯半径,主要做法是在不增加整级轴向尺寸的前提下,用任意曲线取代传统弯道的同心圆环结构,给定弯道回流器子午型线的外侧型线,采用Bezier曲线对内侧型线的2段曲线进行参数化描述,利用遗传算法和反向传播(back-propagation,BP)神经网络相结合的方法对内侧型线进行优化,得到新的弯道回流器子午型线。数值模拟结果表明,与改进前相比,改进后弯道进出口附近的气流分离现象得到明显改善,弯道回流器的总压损失系数减小,回流器出口气流更加均匀,在设计工况点,弯道回流器多变效率提高20.14%,整级多变效率提高2.47%,在0.8~1.2设计流量的变工况范围内,压缩机级的整体性能也都有所提高。     

无人测量系统在消力池水下地形测量中的应用

GPS-RTK与测深仪的组合测量手段是现代水下地形测量的重要技术手段,本文采用该测量技术与无人船技术融合,构建了适用于消力池的水下地形测绘无人测量系统,并应用于亭子口水利工程的表孔消力池水下地形测量实践。文中系统地阐述了消力池水下地形无人测量系统的工作原理、标准化作业流程以及水下地形三维构建方法,结合测绘数据和三维模型,对消力池测区的溢流坝段、护坦、尾坎、防冲段、河道衔接段的高程变化趋势进行分析。结果表明：汛后亭子口表孔消力池结构完整,边界清晰,水质良好,从溢流坝段至尾坎处的护坦表面淤积程度均较小,池区尚未发现明显的堆积体或结构异常,受基岩和围堰卵砾石堆积体影响,防冲段与下游衔接段高程增加显著。无人测量技术的使用,提高了消力池水下地形与淤积分布的获取精度与时效性,具备显著的应用研究价值和推广意义。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配,规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不超过10%,但实际工程设计难以达到此要求。本文以某抽水蓄能电站上水库侧式进/出水口为例,通过改变进/出水口各体型参数,利用三维紊流数学模型,重点研究了扩散段分流墩中边孔道宽度比、扩散段分流墩中墩墩头位置、扩散段长度等体型参数对各孔流量分配的影响。研究表明,对于4孔流道的侧式进/出水口,调整扩散段分流墩中边孔道宽度比、中墩墩头较边墩墩头缩进距离、扩散段长度,能有效改善流量分配不均匀程度,但相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足小于10%的要求。其他体型参数,例如圆变方渐变段长度,对流量分配不均匀程度的改善作用较小。研究成果对侧式进/出水口的设计具有指导意义。     

混流式水轮机转轮设计方法改进

在混流式水轮机转轮设计时,其轴面流动一般按一元或二元假设计算,沿转轮进、出口边的环量分布按等值考虑,实测结果表明其轴面速度介于一元二元假设之间。转轮进、出口的环量分布不为常数,下环处大,上冠处小,文章建议采用介于一元二元之间的轴面流动计算方法,并介绍了数学模型,并建议在转轮出、出口按不等环量分布,经实际使用,这种改进取得了较满意的效果。     

电站循环水泵进水流道水力特性及整流优化研究

循环水泵进水条件的优劣对循环水泵效率及是否出现汽蚀和振动有显著影响。针对某电站300 MW机组循环水泵振动问题,采用RNG湍流模型对其进水流道水力特性开展三维数值模拟研究,分析了进水流道整体水流流态、泵吸水喇叭口附近区域流场、泵体周围流速分布,并对其进行了整流优化改造方案研究。结果表明,循环水流道斜坡坡度较大,导致水流扩散不均匀,表面流速较大,在斜坡底面和进水池存在较大漩涡;泵吸水喇叭口截面水流严重不对称,出现较明显偏流,泵进水条件恶劣;采取有效整流消涡措施可以改善循环水流道水流流态,均匀流速,改善泵进水条件。     

微型预混腔内流体传质影响因素的数值模拟

微型发动机由预混腔和燃烧腔组成，而微型预混腔内流体的流动和传质是影响微型发动机预混催化重整燃烧的重要因素。甲烷和空气分别沿轴向和径向进入微型预混腔，2种气体形成垂直交叉射流，经过微槽道进入环形腔。采用连续介质层流模型二阶离散对三维微型预混腔内流体流动和传质进行了数值模拟，采用相对未混合度表示气体混合的均匀性。结果表明，入口效应和壁面碰撞效应有利于腔体内传质和混合。甲烷和空气的射流动量比、接触面积及停留时间越大，相对未混合度越小。气体在旋流槽中的停留时间较大，而在直流槽中有环形腔壁面碰撞效应增强扰动和混合， 基金项目：教育部博士点基金项目(20040611013)；中国博士后科学基金项目。 因而2种微型预混腔结构都能得到较好的传质效果。混合气体流动为层流，流动阻力较小。     

华能德州电厂2209t/h锅炉侧墙包复过热器爆管原因分析

建立了计算华能德州电厂2209t/h锅炉侧墙包复过热器流量偏差的数学模型，指出该炉频繁爆管的根本原因在于侧墙包复过热器存在固定的滞流区域。利用本模型对增加的管子入口节流圈的流量分布进行估计，采取相应措施后解决了该炉的爆管问题。