基于MIKE11的三峡库区洪水演进模拟

建立三峡水利枢纽洪水预报系统,对工程经济效益的充分发挥及长江中下游的防洪减灾具有重大意义。本文针对三峡水利枢纽洪水预报系统中的库区洪水演进模拟部分进行研究:以MIKE11为基础,区间入流采用分布式水文模型模拟结果,分别采用控制三峡坝前水位和控制三峡出库流量两种边界条件建立模型。控制坝前水位的模拟结果显示,在2006-2011年汛期模拟的确定性系数均超过0.90,可以满足业务上对洪水预报的精度要求。控制出库流量的模拟经过实时校正后,对坝前水位峰值模拟效果良好,2010-2011年汛期平均模拟误差约0.25m。     

地表糙率对坡面流流速影响的试验研究

地表糙率是影响坡面流流速特征及变化过程的重要因素。本研究采用变坡试验水槽在粗糙粒径(d≤10mm)、单宽流量(0.04~0.24 L·s-1·m-1)和坡度(2°~12°)范围内,利用定床阻力冲刷试验系统研究坡面流平均流速与粗糙粒径、流量和坡度之间的关系。结果表明:随着地表糙率的增加,水流克服阻力做功增加,能量降低,流速呈指数函数减小。地表糙率不同会导致坡面流速的主要控制因素不同,当粗糙粒径较小(0≤d≤2.5mm)时,糙率、流量和坡度对流速均有显著影响,解释方差分别为19.8%、44.8%和27.8%;当粗糙粒径较大(2.5d≤10mm)时,糙率和坡度对流速的影响很小(影响程度分别占8.8%和1.5%),流量为主要影响因素(占84.1%)。经多元回归分析发现,糙率对流速的影响最大(54.6%),流量次之(30.8%),坡度最小(6.6%),三者可以较好模拟定床条件下的水流流速(R2=0.919),且流速与糙率负相关,与流量和坡度正相关。该研究结果有助于深入了解不同糙率的定床阻力下坡面流流速的时空分布特征,为坡面土壤侵蚀过程物理模型的建立提供科学依据。     

基于Kalman滤波糙率反演模型的河道洪水实时预报研究

建立基于Kalman滤波理论的河道糙率反演模型。将河道不规则断面沿程概化为矩形、三角形和抛物线型断面。引入水力半径与水深的经验关系,基于圣维南方程组动量方程中惯性项与弗洛德数相关性,推求水深对糙率的偏导数,建立基于Kalman滤波理论的平原区河道糙率反演模型。选择淮河干流王家坝至鲁台子河段为例,将糙率反演模型与水动力学模型相结合进行河道洪水实时预报,并与一维水动力学模型的预报结果进行比较分析。结果表明,在预见期为6小时的实时预报中,耦合模型与原水动力学模型均取得较好的预报效果,耦合模型预报精度好于原水动力学模型,也证明了所建模型的合理性。     

网格对水轮机流动计算结果的影响

在对混流式水轮机真机进行多个工况的全流道流动计算中发现计算得到的效率比试验参考效率偏低较多。为此,本文采用不同的网格类型和网格尺度分别对该水轮机的五个典型工况进行了单流道的数值计算。与全流道的计算结果以及试验的结果进行比较,分析了网格密度与计算的转轮效率的关系,并讨论了适合水轮机计算的网格类型,以及在一定的计算资源和不同的工况条件下,适合采用的网格尺度。     

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明：床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d₅₀由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m³转变为淤积0.059亿m³,冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。     

DEM数据源及分辨率对流域洪水模拟影响研究

以半干旱半湿润区的柳林流域为例,基于无人机三维倾斜摄影7 cm高分辨率和ASTER 30m两种数字高程模型（DEM）数据源,重采样获得1 m、5 m、10 m、20 m、30 m分辨率共10套DEM,构建HEC-HMS水文模型,选择1995—2021年20场洪水进行模拟,探讨DEM数据源和分辨率对洪水模拟精度的影响。结果表明：7 cm高分辨率地形数据源的1 m重采样DEM构建的模型,模拟结果相对较好,洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16.4%和15.7%,NSE均值为0.657;ASTER 30m DEM构建的模型,洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16%和18.7%,NSE均值为0.646,其他分辨率和数据源的DEM构建的模型,洪水过程模拟结果也差别不大。     

基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟

针对三维溃坝洪水数值模拟缺乏涉及城市复杂下垫面地形建模的水库溃坝洪水演进的研究现状,本文首先提出了基于TIN与NURBS曲面重构的精细地形建模方法,同时结合等效糙率法以区分不同的下垫面条件对洪水的水流运动产生的阻力影响,从而为溃坝洪水演进三维数值模拟提供精细的下垫面信息;其次,采用耦合VOF法的修正RNG k-ε湍流模型模拟了溃坝洪水的演进过程,并通过模型验证分析了该模型的准确性;最后,以某城市地区水库溃坝为例,分析了下游复杂区域洪水演进过程、流速、水深等水情信息。结果表明:本文提出的地形建模方法具有较小的数据储存量且保持较高的地形精度;同时基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟既准确地模拟了洪水演进过程,且充分地反映了溃坝水流的复杂流态及细节。     

进水挡板对热水输出率影响的CFD模拟及实验验证

本文通过使用Fluent软件对80L电热水器的热水输出率进行了仿真模拟及实验测试。通过建立无挡板跟有挡板结构的两种热水器内胆三维模型,研究水体温度变化情况,并与实验相结合。研究结果表明,挡板结构能有效抑制进水口水流扰动,保护内胆上层热水,利于温度分层;可以使冷水均匀缓慢的进入内胆底部,提高热水输出率。通过模拟与实验结果发现挡板结构可以提高8%左右的热水输出率。     

有限元计算网格划分对汽轮机转子应力计算结果的影响

针对某型号亚临界汽轮机高、中压转子在稳态额定负荷工况下,采用不同单元形状与网格密度进行有限元计算,得出汽轮机高、中压转子强度薄弱部位等效应力的计算结果。计算分析结果表明:网格划分方式与网格密度不同,计算得出的转子等效应力相差较大。研究结果为提高汽轮机转子应力的计算准确度提供了依据和方法。     

排水管网结构概化对城市暴雨洪水模拟的影响

排水管网是城市暴雨洪水模拟中的关键因素,但受到数据和模型的限制,管网结构通常被概化考虑。本研究构建了强化汇流过程的精细城市雨洪模型（REDUS）,以清华园为研究对象,采用了路/管单层排水系统和路管双层排水系统两类模拟方案,定量分析了典型暴雨情景下的管网排水作用及管网结构概化的影响。结果表明：排水管网主要起到快速、定向的排水作用;管网结构概化会低估洪水过程的洪峰及洪量,与使用全管网相比,仅采用骨干管网在单层系统中会使洪峰和洪量均降低27%,在双层系统中会使洪峰降低37% ~ 56%,洪量降低18% ~ 32%;双层系统能提供更可靠的城市雨洪过程,但需要应用更精细的管网数据。研究成果为海绵城市建设中如何评估排水管网的作用提供了工具和建议。     

典型街区洪水演进的概化水槽试验研究

由于全球气候极端化现象加剧,城市洪涝灾害的强度与频率均呈上升趋势。为充分了解城市洪涝灾害的致灾机理,提出行之有效的减灾措施,有必要对典型城镇街区的洪水演进过程进行研究。本文建立了具有典型街区构造的洪水演进物理模型,模型中布设道路、建筑物、人行道、绿化带等设施。基于试验数据定量分析了建筑物密度、绿化带设置等对洪水演进过程带来的影响。得到主要结论如下:(1)溃坝波在模型道路上的运动速度与初始时刻上游水库的水深及道路本身特性有关,建筑物与城市绿化设施的布置对其影响较小;(2)布置绿化带及建筑物减小了过水面积,导致洪涝灾害发生后道路上的水位上升;但增加房屋密度将减少流入街区两侧的水流体积,布设绿化带将增加房屋周边的水流阻力,促使水流沿模型道路演进;(3)建筑物前水深与初始时刻水库内水深近似成正比,但初始水深较大时水流对建筑物的冲击力将远大于初始水深较小的工况。本试验结果可以为数学模型提供翔实的率定资料,并为面临突发洪涝灾害威胁的街区提供设计参照。     

基于GPU的复杂三角网格模型多分辨率绘制

针对高度细节三角网格模型实时绘制问题,通常使用LOD技术对模型进行处理,本文提出了一种适用于GPU的针对零亏格的三角网格模型的多分辨率绘制方法。该方法先将三角网格进行球面参数化,然后利用参数化结果构建几何图像,并在其上建立四叉树模型,最后使用GPU着色器进行模型细节层次的选择并对网格进行简化,实现模型的多分辨率绘制。与已有方法相比,利用GPU高度并行运算的特点,减少了简化模型过程的计算时间。实验结果表明,该方法在保证绘制质量的同时达到实时绘制的要求。     

基于分布式洪水模型的北京城区道路积水数值模拟：以万泉河桥为例

道路积水影响交通,打乱城市正常的生产生活秩序,在我国快速城市化和气候变暖的背景下问题显得更为突出。采用数值模型对城市暴雨径流进行模拟,理清道路积水原因,对积水点综合治理和实时抢险有重要作用。本文开展了分布式立体化城市洪水模型在北京清河上游流域的验证和应用,对不同重现期和历时的设计暴雨情景下万泉河桥积水过程进行了计算分析,提出以30cm积水深度为阈值（小轿车正常行驶的最大积水深度）定义道路节点的排水标准,结果表明万泉河桥处的排水标准为5年一遇30分钟暴雨过程或者1年一遇120分钟暴雨过程。     

大型泄洪排沙闸预应力闸墩结构模型试验研究

本文详细描述某抽水蓄能电站泄洪排沙闸大型预应力闸墩结构模型试验的模型比尺与材料选择、混凝土配合比、模型制作、结构受力性能测试构件的布置和测试系统、加载系统以及试验流程等研究过程.对试验数据进行归纳、整理和分析,得到在各种预定工况下的预应力预压效果和闸墩颈部、闸墩与锚块接触处及锚块等控制部位的受力状态,研究在超载情况下闸墩结构的承载能力,提出进一步改进结构设计的建议.     

城市化对北京地区降水的影响研究进展

城市化对北京地区降水影响的相关研究已多有开展。在对以往相关研究总结的基础上,综述现阶段研究的主要方法和结论,以及存在的主要问题。概括来说,城市化对降雨影响的研究方法主要有两类,即基于观测和基于模式,两类方法共同的研究思路是将城市下垫面的影响与气候系统变异性和局地环境的影响分开。现阶段研究的难点主要表现在四个方面,即:城市与地形的耦合效应,城市影响的时空选择性,气溶胶影响的不确定性以及城市冠层模拟的复杂性。未来的研究需要进一步加强相关气象要素的观测以及完善气象模式中微云物理机制和对城市下垫面的描述。     

洞庭湖四口河系防洪、水资源与水环境研究

洞庭湖四口河系地区洪涝灾害频繁,防洪压力大,同时随着四口分流量逐年减小和季节性断流,加之水环境污染,四口河系地区季节性、水质性缺水问题严重。水利部公益性行业科研专项经费项目＂洞庭湖四口河系防洪、水资源和水环境研究＂由湖南水利厅牵头完成,取得了丰富的研究成果。通过项目研究,构建了洞庭湖四口河系水沙数值模型、区间洪水模型、水环境分析模型,分析了三峡工程不同运行方式下四口河系河道演变以及水资源和洪水的演变;在模型研究的基础上,结合水质监测资料、卫星遥感影像等,综合分析了三峡工程运用对四口河系地区防洪、水资源、水环境等方面的影响;在综合防洪、水资源和水环境分析结果的基础上,构建了洞庭湖四口河系地区综合调控体系。     

基于网状拓扑的WSN研究与设计

网状拓扑结构的无线传感器网络是未来WSN发展的方向与目标,本文根据网状拓扑结构的特点,分析了该结构下WSN的优缺点,并针对网状WSN功耗消耗大、网络寿命短的不足,提出了使用网络协调器轮换机制来延长网络寿命的组建策略,从而使网络协调器始终由剩余功耗较多的传感器设备来担当。提高了网络的工作效率,增强了网络的稳定性。最后本文针对传感器设备的能量监测模块给出了具体的实现方法,通过使用DS2786电池能量监控模块实现了网络协调器的轮换,延长了无线传感器网络的寿命。     

AVC对电厂的影响及应对策略

从自动电压控制系统开始,分析了新的控制模式对不同类型电厂的影响,并给出了应对策略。     

预应力钢筒混凝土管（PCCP）的阻力系数与粗糙度研究

在长距离输水工程的设计中,水力阻力系数的计算选取是一个关键因素。由于PCCP在我国起步较晚,关于其阻力系数及糙率的研究较少,特别是超大口径PCCP,采用传统水力学试验方法在室内测量其阻力系数有较大困难。本文提出了一种新方法：采用表面形貌仪测量PCCP内壁的表面粗糙度,并以水力学试验为依据,获得当量粗糙度及修正系数,据此可以进行Re已知情况下的阻力系数计算,并推算出水流进入阻力平方区的糙率值,从而避免了超大口径PCCP进行室内水力学试验的不可行性。研究得出,南水北调中线工程DN4000的PCCP糙率值约为0.00979～0.01132,可为南水北调中线京石段应急供水工程的运行提供参考;综合考虑多种因素,认为国产PCCP的糙率范围约在0.010～0.0125之间。利用本文所提出的方法,可方便获得任意管径PCCP的阻力系数。     

分布式发电对电网的影响及对策

近年来,分布式发电(DG)作为一种经济、环保的发电技术在世界范围内快速发展,DG的接入将对电网带来多方面的严重影响,分析了DG的接入在配电网电压调节、继电保护及自动装置、供电可靠性、电能质量、电网规划及运行管理等方面造成的影响,提出消除负面影响的措施,对于电网经营企业应对DG的接入具有参考意义。