大型分层取水电站进口水力学研究进展

电站分层取水是近年学术研究和工程实施热点,目前大型分层取水电站多采用叠梁门方式。基于此,介绍了国内外分层取水电站进水口研究现状,并对今后研究方向提出建议:①鉴于叠梁门分层取水方式显著增加进口段水头损失(1～2 m),应探索减小水头损失的叠梁门布置与体型;②考虑到水库温度分层对水流黏滞性影响较大,应开发完善包含水流黏滞性变量的数值模型,从而使进口流场流速模拟和下泄水温预测精度更高;③随着大型分层取水电站不断兴建并投入运用,建议逐步开展相应的原型观测研究,以便后续工程参考借鉴。     

大型电站叠梁门分层取水进水口水力特性研究

电站进口前加设叠梁门后引起局部水流条件复杂,本文以模型试验和数值模拟为研究手段,系统阐述了叠梁门分层取水进口水流流态、门顶最小运行水深、水头损失和叠梁门反向附加水击压力等。研究表明,加设叠梁门后机组各栅孔进流较为均化,门井水面波动加大,主要引流区间在门顶以下10 m—门顶以上25 m水域,叠梁门门顶最小运行水深一般为15~30 m,进口段水头损失1.20~1.95 m(水头损失系数为0.45~1.15),较无叠梁门时增大1.11~1.63 m,对机组发电经济效益将产生一定影响,机组甩负荷对叠梁门下游面板产生的附加水击压力(2.9~3.0)×9.81 k Pa。     

水电站叠梁门进水口水力特性数值模拟研究

为研究水电站叠梁门分层取水进水口水力特性,探讨叠梁门运行、布设方案,以某实际工程为例,采用三维水动力数学模型,对不同叠梁门开启工况下的流速分布及水头损失等水力特性开展模拟研究。结果表明：随着叠梁门层数的增加,门顶过流空间不断压缩,加剧了进水口水流的紊乱程度,导致进水口处涡旋的发生;水头损失则随着叠梁门层数的增加先急剧增大再缓慢增大。同时,结合库区垂向水温分布特征,在垂向温差较小的季节,可以选择较少叠梁门层数引水以减少水头损失;在垂向温差较大的季节,可根据目标水温灵活选择叠梁门层数。     

两河口水电站叠梁门分层取水进水口水力特性研究

本文以两河口水电站分层取水口为例,通过水工模型试验,对叠梁门进水口水力特性进行研究。试验结果表明,当叠梁门顶水深超过20 m时,进水室内可保持良好的水流流态,且无有害漩涡出现,进水口的水头损失系数在0.56~0.65之间,其变化与叠梁门的总高度呈正比关系,叠梁门顶部的流速垂线分布均呈下大上小的形态,另外,在运行机组左右两侧相邻2个及以上机组段同时放置叠梁门可保证下泄水流均为库区叠梁门高程以上水体。     

典型工程叠梁门分层取水方案优化分析

水库下泄低温水将影响库区下游水生生态系统,而采用叠梁门分层取水则是解决电站引起的下泄水温问题的有效手段。依托实际工程,本研究建立了三维水温-水动力数学模型,对进水口水力特性与下泄水温进行了数值模拟,分别论证了不同取水高程条件下叠梁门分层取水运行的可行性及下游取水水温规律,分析了分层取水对下游灌区作物的影响。结果表明：叠梁门取水高程是影响分层取水效果的关键因素,而取水高程的确定又与进水口水动力特性密不可分,相比于叠梁门门顶水头,中小型工程进水口结构体型对分层取水进水口系统水动力特性影响更甚;增大叠梁门与门库前置墙间距是改善进水口水力特性的有效措施之一;结合叠梁门分层取水水力特性及取水效果,提出了叠梁门运行方式。     

大型水电站叠梁门进水口拦污栅流速分布特性分析

为研究拦污栅流速指标的结构影响因素,完善相关的设计方法,依据现有工程叠梁门进水口的基本布置体型与运行条件,通过建立数学模型模拟取水结构复杂流态,在物理模型试验验证的基础上,对叠梁门运行引起的拦污栅流速分布及其变化规律进行了研究。结果表明:(1)拦污栅流速峰值位于1.05~1.15倍叠梁门高度范围内,随着叠梁门门顶水头与叠梁门—拦污栅间距的减小,拦污栅流速峰值超过1 m/s;(2)拦污栅流速分布系数峰值位于0.9~1.0倍叠梁门高度范围内,随着叠梁门—拦污栅间距的减小以及拦污栅分节高度的增大,分布系数峰值超过1.5;(3)为控制拦污栅流速,叠梁门最小门顶水头应为叠梁门—拦污栅间距的负指数幂函数,为控制拦污栅流速分布系数,拦污栅的最大分节高度应为叠梁门—拦污栅间距的正指数幂函数,幂函数的系数取值与叠梁门进水口拦污栅流速的设计指标有关。研究所得结论可为叠梁门进水口拦污栅的设计提供参考。     

分层取水式电站进水口水力特性数值模拟研究

为了研究水电站分层取水式进水口的水力特性,以亭子口水电站工程为例,建立分层取水式进水口三维数学模型,采用六面体结构化网格,精细模拟了叠梁门分层取水式电站进水口的固壁边界,对流速分布、水头损失等水力特性进行了研究。计算结果与物理模型试验结果吻合较好。依据研究结果,可优化进水口体型参数,对保证电站安全高效运行具有重要意义。     

叠梁门分层取水水温-水动力动态过程模拟及分析

水温分层作为影响库区水生生态系统的重要因素逐渐成为研究热点。为全面了解叠梁门运行方案改变对取水近区水温-水动力及取水层的影响,进一步优化叠梁门运行调度,本文结合动网格模拟技术对叠梁门运行调度过程进行了模拟,并结合物理模型试验对计算结果进行了验证,分析探讨了水温-水动力耦合作用机理及取水层范围和厚度变化规律等。分析表明:数值模拟方法可行,计算结果可信;分层取水最大流速发生在取水底高程以上15 m左右;相比取水流量,取水高程是影响取水层内流速及水温分布的主要因素;相同边界条件下,随取水水头的增加,上部取水层厚度逐渐增加,下部取水层厚度呈现先增大后减小的现象;取水层厚度与叠梁门顶的流速分布、水温分布及水深有关。     

白鹤滩水电站进水口分层取水方案选择分析

白鹤滩水电站库区水温分层现象明显,为了满足电站下游鱼类栖息生境保护要求,电站进水口应尽量取用水库表层水,因此应采取工程措施控制电站进水口取水范围,满足下游对下泄水温的要求。对比分析高低进水口、双层取水口、叠梁门取水口3种方案,从水库表层水取水效果、工程投资、工程类比等方面对各方案进行比较,提出推荐叠梁门取水口方案。叠梁门取水口方案具有分层层高灵活,取水库表层水范围小、工程投资节省等优点。     

分层取水结构型式对取水水温影响的试验研究

本文采用水温分层物理模型,针对传统叠梁门、叠梁门+水平帷幕、进水口前置帷幕三种结构的分层取水特性进行了对比试验研究,研究了分层取水结构型式对取水水温的影响,并分析了出现差异的原因。研究结果表明,取水结构上游拖曳层的厚度、垂向位置、水温及流速分布,是影响分层取水效果的重要因素:传统的叠梁门由于受门顶以下拖曳层的影响,底部冷水进入,取水效果相对较低;通过在门顶设置水平帷幕,阻挡下部低温水爬升,有助于提高取水效率;通过在进水口上游库区设置隔水帷幕,该取水断面表层温水拖曳流速增大,底层冷水拖曳流速减小,使取水效果得到进一步提升。上述试验结果为分层取水建筑物结构布置的优化改进提供了新的努力方向。     

高水头平板闸门小开度的数值模拟与试验对比

在高水头平板闸门小开度运行条件下,闸后水流流态较为复杂,采用目前计算水面线的公式来研究具有较大难度。Fluent具有稳定性好、收敛速度快的优势,通过结合高水头下平板闸门小开度的水工模型试验利用其建立合理的数学模型,模拟三维门槽水流的速度场与边壁的压力分布,计算模型进口段以及闸后段水流的压力、流速场、紊动能和紊动能耗散率等的分布规律。将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析,二者结果基本吻合,验证了数值模拟方法处理工程问题的可行性。     

深孔泄洪洞工作（闸）弧门下游水流空化特性分析

深孔泄洪洞工作弧门下游体型及弧门开启方式决定着水流流态的变化,选择不合理有可能引起底板的空蚀破坏。为了明确与此相关的空蚀发生机理及条件,通过水力学模型试验,并结合简单数值模拟计算,对不同体型、不同水头、不同开度条件下的水流空化与空蚀特性进行研究。研究结果表明:受弧门出口射流流场分布影响,弧门下游抛物线及下游陡坡初始段底板压强随着底板以上总水头的增加及弧门开度的减小会快速下降,最大负压接近或超过-14 k Pa,连接闸室与抛物线之间的水平段长度增加5 m,虽然可以使底板压强有一定幅度增加,但高水头、小开度工况下的水流最小空化数仍然比较小,最小值不足0.2;如果以0.2作为抛物线及其上下游段水流初生空化数,同时底板的施工不平整度有所控制,则总水头40 m时弧门最小开度可以达到1/4,若总水头增加至65 m时,弧门只能全开或3/4开度运行,低海拔地区或水平段加长5 m后最小开度可到1/2~3/4。     

瀑布沟水电站截流水流数学模型研究

在江河截流过程中,随着戗堤的移动,龙口处河床及河岸边界条件不断变化,给截流设计中的水力计算带来了很大困难。以瀑布沟水电站为研究对象,通过经过验证的数学模型计算,获得了截流期间设计流量Q=1 000m3/s,龙口宽度发生变化时,坝区附近研究水域内流态的变化情况,得到了不同口门宽下龙口附近的水力参数,包括断面平均流速、断面平均水位、垂线平均流速等。计算结果与物理模型试验结果的比较表明:二维水流数学模型计算龙口处的平均流速、戗堤上下游水位落差、龙中最大流速等结果与试验值较接近,可为水电站的安全截流施工提供技术支持。     

倒虹吸工程水力学模型试验

为研究大型倒虹吸水力特性,通过新疆北部某倒虹吸工程1∶16的水工模型试验,对不同运行工况下倒虹吸过流能力、水流流态及压力分布等问题进行研究。试验结果表明,水头损失实测值与设计计算值较接近,满足设计要求;在设计流量下管道最大压力位于倒虹吸管最低段末端且小于设计值;但充水过程中,流量由13m3/s增至15m3/s时,发现上游进水口有间歇性立轴漩涡形成。为了保证工程的正常运行,建议对上游沉沙池与消力池之间渠道进行优化。     

特低扬程泵站水力性能研究

采用数值计算和物理模型试验方法研究特低扬程泵站的水力性能,并以苏州市东风新平面S形轴伸泵为例,对其内、外特性,包括装置的水力性能、流道沿程典型断面流速分布、空化特性及进出水流道的水头损失进行分析研究。通过对数值模拟计算及物理模型试验成果的逐项对比,证明数值模拟方法在特低扬程泵装置性能研究中具有良好的应用价值,特别是在高效率附近区域,数值模拟计算成果具有良好的精度。对断面流速分布和流道水力损失等内特性的进一步分析,揭示了不同工况下泵站性能差异的原因,为进一步优化流道型线提供了依据。     

贵港航运枢纽二线船闸输水系统水力学试验

贵港航运枢纽位于贵港市上游6.5 km处西江郁江河段,船闸设计有效尺度280 m×34 m×5.6 m(长×宽×门槛水深),采用闸墙长廊道多支管分散输水系统形式,设计最大水头14.1 m.通过对输水系统水力特性、廊道压力、闸室和上下游进出口流态、船舶(队)系缆力的观测,提出了上闸首阀门后廊道高程、闸室三明沟消能等部位的合理布置方案,杜绝了充水过程中的门后检修门井掺气,进一步均匀闸室内横向水流分配,使得设计船(队)舶的泊稳条件更好地满足规范要求.研究表明采用闸墙长廊道多支管输水型式是可行的.     

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺 1∶20 的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。     

嘉陵江草街船闸上游引航道水力学问题研究

嘉陵江草街船闸闸室尺寸为200.0 m×23.0 m×3.5 m(长×宽×门槛水深),最大工作水头26.7 m,其综合水力指标居我国已建单级船闸前列.施工期通航上游水位192.0 m,此时其上游引航道水深仅为2.9 m,如果阀门按设计指标正常开启,船闸灌水时上游引航道非恒定流特征明显,浮式导航墙存在较强斜流和漩涡,引航道水面比降及纵向流速较大,危及船舶通航安全,此外船闸进水口淹没深度较小,流量达到一定值时将出现较强漩涡,严重时还会出现贯穿吸气漩涡,影响闸室船舶安全.通过原型调试结合数学模型计算,解决了草街船闸施工期通航上游引航道特殊水力学问题,确定了船闸施工期通航运行方式,保证了船闸施工期通航安全运行.     

高水头附环闸门水力特性及闸门启闭力试验研究

结合某水电站泄洪中孔在140 m水头条件下的附环闸门,采用模型试验的方法对其相关水力特性,包括流速达40 m/s量级的门槽区水流空化特性、附环闸门启闭过程中的门槽区水力变化特性、门后通气设施的掺气效果、闸门启闭力等进行研究。实验中测量了门槽段的时均压力分布、脉动压力与能谱以及附环事故闸门后通气管风速等。结果表明:附环闸门不会造成水流空化现象,且错台高度控制在0.02 m设计范围内其安全性能有保障;在闸门闭门过程中,闸门连接杆先承受拉力后承受压力,可据此选择相应的闸门启闭力容量。