冰水二相流渠道流冰输移演变规律及其安全运行措施研究

针对我国新疆、青海地区为数众多且无法采用冰盖下输水的宽浅式渠道工程,开展冰水二相流输运机理及运行调控技术研究,对于解决这些地区冬季用水矛盾、节省工程改造投资具有重要意义。以新疆北部地区某电站引水渠为例,通过构建一维渠道冰水力学数学模型,研究渠道流冰输移和发展规律,分析气温、出库水温、输水流量等关键因素对渠道冰情的影响,并提出冰水二相流渠道的安全运行措施,对实现冰水二相流安全水力调控、解决我国西北地区冬季缺水问题具有一定参考价值。     

引水流量对引水渠道中水内冰演变影响的数值模拟

水电站引水渠道中的冰害会影响水电站的安全运行,危害当地人民的人身安全。为开展引水渠道中水内冰演变的研究,建立了三维非稳态欧拉两相流模型,动量方程考虑了相间曳力、升力、虚拟质量力,热量传递方程中考虑了冰水之间的热量传递以及太阳辐射、有效辐射、蒸发热损失、水面对流热损失等。模拟分析了不同引水流量下温度及冰体积分数的沿程分布,结果表明：冰温沿程逐渐升高;水温沿程先降低后升高、沿程出现最低点。冰体积分数沿程存在突变点,且突变点在水温最低点附近。随着引水流量减小,产冰起始位置向渠道上游移动,但最终的产冰量和冰体积分数逐渐减小。通过与黄河上游河道中水内冰演变计算结果对比,验证了模型的可靠性。     

宽浅渠道糙率系数的确定

通过整理目前计算宽浅渠道糙率的计算方法,分析了宽浅渠道糙率的影响因素,通过模型计算,验证了宽浅渠道糙率系数的确定方法与过程。     

渠道墩柱断面过冰能力研究

为避免流冰输移在桥墩、闸墩等束窄断面停滞、卡堵、堆积,通过相关物理模型试验,研究了不同水力条件、不同冰块尺寸和冰量下的墩柱断面过冰能力。研究结果表明:冰块过流能力与弗汝德数Fr成正比,弗汝德数Fr小于临界值,冰块易在墩柱断面前卡堵,弗汝德数Fr超过临界值,过冰能力显著提升;对于中、大尺寸冰块(L/D=0.8、1.0),第一翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为0.879、1.090,第二翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为1.267、1.355;墩柱断面过冰能力与来冰量成反比,来冰量越大,墩柱断面越容易出现卡堵。通过量纲分析建立回归方程,得到渠道墩柱断面过冰能力经验公式▽=1.028(e~(2.28Ft))(L/D)~(-3.567)×100%(0≤▽≤100%),复相关系数为0.973。研究成果对研究冰水二相流安全输水、防治冰塞灾害具有参考价值。     

再论宽浅式溢洪道进口的水力设计

十几年前,我们曾在本刊上撰文讨论过我省中小型水库工程中,应用最广的宽浅式溢洪道进口的水力设计问题[参考资料1]。近两年来结合专题研究工作,我们又到省内二十多个县市的七十余座水库溢洪道考察,其中有相当数量是宽浅式溢洪道。我们发现当年提到过的问题仍然存在。现在又因下列     

宽浅式陡槽溢洪道水流及斜坡水跃特性研究

西段村水库设计采用宽浅式陡槽溢洪道,泄洪水流宽深比值为60～120,陡槽水流能量损失导致在陡槽末端提前发生水跃,消力池消能工未能充分发挥作用.从宽浅式陡槽水流特点入手,通过模型试验和理论分析相结合的方法,对西段村水库溢洪道陡槽面能量损失状况与斜坡水跃形态进行研究,提出了以斜坡消力池配合潜没式分流墩的设计方案,试验结果表明跃前断面单宽能量分布均匀,消力池内产生充分稳定的水跌消能流态.     

中间渠道内非恒定流数值模拟

利用平面二维非恒定流数值模型，来研究中间渠道内非恒定流问题，该模型基于任意三角形计算网络，采用隐式求解自由表面的剖开算子法，离散求解控制方程，有效地处理了非线性混合算子和计算自由表面的困难，避免人工滤波措施，提高了计算精度和计算稳定性，并在三峡通航工程方寒比较中得到应用。计算结果表明，该模型能较好地反映中间渠道内水充特征，与分析模拟船闸不同运动方式下渠道内水流波动特性，达到优化运行方案，改善渠道内     

宽浅型水库水体更新时间数值模拟研究

水体中污染物的迁移、扩散与水体更新时间密切相关。基于EFDC建立了宽浅型水库水动力三维数学模型,并用水库实测资料对模型精确性进行了验证。首先利用验证后的数学模型模拟了宽浅型水库365d流速场和水体更新时间,得到了其水动力特性;然后模拟了无风工况下的水体更新时间,通过对比得到了风对宽浅型水库水体更新时间的影响。研究成果可为宽浅型水库的生态调度提供理论依据。     

宽浅式尾水渠体型设计

采用一维和三维k-ε紊流数值模拟方法相结合,对宽深比达到500∶1的尾水渠水流流场进行了模拟。利用一维计算速度快的优点对30个尾水渠体型共60组工况进行了水面线计算,对壁面糙率进行了敏感性分析,提出了满足设计要求、工程量最省的体型。利用三维k-ε数值计算能得到详细流场的优点,分析了不同机组开启时尾水渠内流速分布和水面特性。研究结果表明：推荐方案在小流量时能满足尾水管出口的埋深,在大流量时保证设计有效发电水头且工程量最省。     

宽浅式溢洪道消能防冲试验研究

通过引子渡水电站溢洪道消能防冲试验研究 ,从消能防冲角度提出了大流量、宽浅式挑流消能溢洪道泄槽及消能工体型设计的较优方案 ,可为同类工程的设计参考。     

汉江兴隆弯曲宽浅河段不同水沙条件下冲淤演变的数值模拟研究

以汉江兴隆至两家湾这一典型的弯曲宽浅河段为例,利用2005年实测河道地形与水流泥沙资料,采用平面二维水流泥沙数学模型计算模拟了河段内的水流泥沙运动,分析弯曲宽浅河段在不同水沙条件下的河床冲淤变化。结果表明:各典型年水沙条件下,汉江兴隆弯曲宽浅河段整体发生冲刷,航道问题仍非常突出,应在该河段修建整治工程进行整治。     

宽浅式溢洪道消能防冲试验研究

通过引子渡水电站溢洪道消能防冲试验研究，从消能防冲角度提出了大流量，宽浅式挑流消能溢洪道泄槽及消能工体型设计的较优方案，可为同类工程的设计参考。     

中间渠道内非恒定流数值模拟

利用平面二维非恒定流数值模型，来研究中间渠道内非恒定流问题，该模型基于任意三角形计算网络，采用隐式求解自由表面的剖开算子法，离散求解控制方程，有效地处理了非线性混合算子和计算自由表面的困难，避免人工滤波措施，提高了计算精度和计算稳定性，并在三峡通航工程方案比较中得到应用。计算结果表明，该模型能较好地反映中间渠道内水流特征，与分析模拟船闸不同运行方式下渠道内水流波动特性，达到优化运行方案，改善渠道内航行条件的目的。     

复杂输水系统水气两相流数值模拟方法研究

复杂输水系统通常由明流输水隧洞、暗涵、明渠、渡槽、倒虹吸、有压管道等建筑物构成。合理确定明流隧洞的洞顶余幅,是长距离明流输水系统安全运行的关键。鉴于输水工程中水流流速相对较低,水气界面清晰,水流流型通常为光滑分层流或波状分层流,利用一维水气两相流模型可以模拟分析复杂输水系统的水流运动特性和气流运动特性。本文以一维水气两相流控制方程为基础,提出了水气两相流耦合迭代算法,利用追赶法计算复杂输水系统内的水流和气流运动特性。案例分析表明,对于长距离输水隧洞而言,应考虑气流运动对水流运动的影响,设置通气孔,可改善隧洞内的水流运动特性。建议今后开展低流速输水隧洞洞顶余幅阈值研究,为低流速输水隧洞的设计和运行提供科学依据。     

宽坦式河道枢纽工程水工模型试验研究

对某宽坦式水电站工程枢纽进行了水工模型试验研究.研究了上下游水流流态、泄水建筑物泄流能力、取水防沙、冲沙闸排沙、下游流速分布及冲坑等水力学问题.通过对原设计方案的模型试验,检验了其合理性,并提出了相应的优化方寨.试验成果对类似工程设计和模型试验具有一定的借鉴意义.     

宽浅明渠横向取水的试验研究

本文试验研究了宽浅明渠横向取水时的分流特性及泥沙在引水渠中的淤积。试验结果表明，当渠首为无闸引水时，渠道中将产生回流，进入渠道的泥沙在回流区产生严重的淤积，影响渠道的正常引水。进而提出了在渠首建闸的方案，试验研究了闸门的形式、布置方案、过流能力、闸门开度及渠道的断面形态、泵房前池形状等水力学问题和在设计高低水位时的泥沙淤积问题，并提出了相应的防淤清淤措施。试验结果表明，选定的闸门布置形式和渠道形状基本能满足引水的要求。采用高速水流搅拌冲沙的方法能有效地防止泥沙淤积。本文的研究结果对相似的工程有参考价值，并可为数学模型的验证提供试验数据。     

基于宽浅式破坏原则的水库旱限水位优化方法

针对旱限水位计算过程中干旱期需水多采用经验性调整系数确定存在主观性较强、合理性不足等问题,基于宽浅式破坏原则,以枯水年内月缺水率均值及其标准差最小为目标优化干旱期分行业需水,提出了水库旱限水位优化方法。以汾河水库与汾河二库为例进行优化效果分析,验证方法的合理性和可行性,结果表明:以优化后的旱限水位指导水库调度,可降低枯水年内的月缺水率均值及标准差;以50%作为严重缺水率阈值,优化后的旱限水位能够有效降低严重缺水月数;在连枯水年内,优化后旱限水位控制水库调度效果明显优于未优化的旱限水位,优化后旱限水位能够降低严重缺水情况的发生频率,符合枯水年内宽浅式破坏要求;旱限水位的设置保障了枯水年内各行业的用水安全,可减少极端缺水情况的发生,为旱灾防御指挥决策提供依据。     

宽浅河道上枢纽工程水工模型试验研究

本文对宽浅河道上的闸坝式水电站的枢纽工程进行了水工模型试验研究.研究了下游水流流态,闸门运行方式、下游河道冲刷、引水防沙等问题.通过模型试验研究证明了运行方式的优点,并对工程消力池进行了优化.本文对于平原地区宽河道上的水利工程有一定的借鉴作用.     

水工水气两相流的数值模拟

建立了一种新的水气两相紊流数学模型,其中对流速,气体质量分数以及紊动特征量采用了质量加权的时间平均,对雷诺应力采用代数应力方程模拟,对气体质量分数的脉动通量采用涡粘性概念模拟,气体质量分数由其控制方程求解,通过对明渠掺气水流和水垫塘掺气射流的数值模拟表明,计算结果与实验结果符合较好,同时,计算的时间和收敛性也较好。     

桥渡壅水对河道水位流场影响二维数值模拟

采用Simple算法建立了一套河道平面二维水流数学模型.针对桥渡壅水问题,提出了两项措施来进行桥墩的概化:①局部地形修正,主要通过增加桥墩所在节点的河底高程来反映桥墩对河道过水面积的压缩效果;②局部糙率修正,主要通过加糙来反映桥墩的阻水作用.通过对工程问题的计算验证其效果,选取赣江神岗山-井冈山拟建的阳明大桥长约7.5 km的河段作为计算河段.地形采用2000年实测河道地形图.计算网格采用边界层坐标系下河道拟贴体正交网格.网格节点数为73×70个,计算结果较好地反映了建桥前后桥墩附近水位流场的变化情况,说明桥墩概化较为合理.