侧式进/出水口水头损失系数多元线性回归分析

进/出水口水头损失是抽水蓄能电站输水系统水头损失的重要组成部分,准确计算水头损失是评估电站运行经济效益的重要需求。本文通过数值模拟方法研究了14个实际侧式进/出水口的水头损失系数;利用多元线性回归方法,建立了基于侧式进/出水口体型参数计算水头损失系数的回归方程,分析了侧式进/出水口体型参数对其水头损失系数的影响规律。结果表明：侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的影响程度,对出流工况较显著,而对进流工况不显著;出流工况,侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的相关性,扩散段长度、扩散段分流墩中墩缩进距离、水平扩散角、垂向扩散角、分流墩墩头中边孔宽度比和反坡段坡比为正相关,调整段长度和防涡梁段长度为负相关;利用回归方程得到的水头损失系数与数值模拟方法的结果吻合较好。本文建立的回归方程为计算侧式进/出水口水头损失系数提供了新方法。     

反坡段对侧式进/出水口水力特性影响研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口,因进/出水口底高程低于库底高程,进/出水口与库区设反坡明渠连接,反坡坡比的大小将影响进出水口水力特性.目前缺乏反坡坡比建议值指导进/出水口设计,本文通过数值模拟研究了6种不同坡比1∶1～1∶6对进出水口水力特性的影响.结果 表明,对于进/出水口水头损失系数、拦污栅断面流速分布只有在进流工...     

西龙池抽水蓄能电站竖井式进出水口水力学试验研究

西龙池抽水蓄能电站上库拟采用设盖板的竖井式进／出水口，这种型式在国内大型工程中应用较少。本文通过物理模型试验对这种竖井式进／出口的水力特性进行了探讨，包括发电和抽水两种工况下进／出水口流速分布、水头损失、漩涡等。     

抽水蓄能电站竖式进/出水口CFD水力优化

受转弯影响,抽水蓄能电站竖式进/出水口在抽水工况下往往会出现严重偏流,影响电站运行稳定性与安全性。本文采用最新的CFD方法对竖式进/出水口流态的影响因素进行模拟,分析了一系列体型与流态的规律性,提出了组合弯管结合长倒锥体的优化方案。该方案使出流的环向分布和垂向分布都比较均匀。结合具体工程,将原方案和优化方案进行对比,证明优化方案在抽水工况下的上水库孔口出流流态明显改善。     

抽水蓄能电站竖井式进出水口水力试验研究及数值模拟

竖井式进出水口在抽水蓄能电站上库的应用和研究情况在国内较少。本文结合某抽水蓄能电站上库模型试验任务,利用模型试验及数值计算方法,对某体型进出水口的发电和抽水各种工况下的进出水口流速分布、水头损失、旋涡等水流特征进行了分析研究。从堰型和防涡梁角度进行了体型优化,提出了阶梯防涡梁的优化体型。该研究内容,对于双向水流的流道研究,具有重要的参考价值。     

竖井式进/出水口数值模拟策略研究

数值模拟在抽水蓄能电站进/出水口水力设计中的应用日趋广泛,但网格尺度的差异和不同湍流模型的选用均会对数值模拟结果产生影响。为准确、定量地评估二者的影响,本文以西龙池抽水蓄能电站竖井式进/出水口为例,针对3种网格尺度,采用4种常用湍流模型,在进流和出流工况下,对比分析了网格尺度对水头损失系数、流速不均匀系数等水力指标的影响。选用网格收敛指数定量评价各湍流模型在3种网格尺度的数值模拟误差,用以确定合理的网格尺度,在此基础上分析4种湍流模型的适用性。结果表明,在3种网格尺度下各湍流模型的计算结果均处于解析解的渐近域内,且当孔口网格由0.05D加密至0.03D时,数值模拟误差降低最明显。Realizable 模型对进流和出流工况的水力指标预测均较准确,与试验值的相对误差均达到5%。研究成果可为进一步提高进/出水口计算精度提供参考。     

拦污栅结构对进出水口水力特性影响试验研究

对于进出水口水力特性研究,尤其是物理模型试验,由于拦污栅栅条细、间隔近,模型模拟困难,因此一般不模拟拦污栅结构本身。为探究双向流动条件下拦污栅结构对进出水口水力特性的影响,本文建立了大尺度进出水口试验装置,开展模拟拦污栅结构（有栅）和不模拟拦污栅结构（无栅）的进出水口水力特性试验研究。结果表明：拦污栅结构使断面时均流速分布均匀化,出流工况有栅的流速不均匀系数比无栅的改善了7.1%,进流工况有栅的流速不均匀系数与无栅的基本相同;拦污栅结构对水流的扰动使流速脉动剧烈,紊动强度增大,出流工况和进流工况有栅的平均紊动强度比无栅的分别增大了49.0%和38.5%;拦污栅结构对进出水口流量分配基本无影响;拦污栅结构使进出水口水头损失有所增大,出流工况和进流工况有栅的进出水口水头损失系数比无栅的分别增大了6.3%和7.2%。有栅和无栅的进出水口水力指标,除紊动强度差别较大外,其余差别不大,因此研究进出水口水力特性时不模拟拦污栅结构的结果基本能反映进出水口的水力学特性。研究成果可为进出水口及拦污栅设计提供参考。     

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...     

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口数值模拟

侧式进/出水口作为目前抽水蓄能电站的主要形式,具有双向水流的特点.本文采用雷诺应力紊流模型(RSM)对侧式进/出水口进行了三维紊流数值模拟,数值计算结果得到了物理模型试验结果的验证,并对三孔侧式进/出水口分流墩间距进行了优化,来流不均匀性对分流的影响进行了定量描述,对弯道后水流的不均匀性进行了探讨.     

卜型岔管水力模型试验及三维数值计算研究

结合无锡马山抽水蓄能电站卜型岔管试验研究，对卜型岔管不同工况的水流流态、水头损失等水流特性进行了水力模型试验与数值计算研究，试验中发现并成功地模拟出二次流流态。数值计算采用Reynolds应力方程模型(RSM)的湍流模型，应用有限体积法和二阶迎风格式，速度场与压力的耦合计算采用Simplec。研究结果表明，计算与试验结果吻合较好。卜型岔管在不同运行工况下的水头损失差别较大，多数工况下流态分布比较均匀，总体能量损失较小，适合工程中优先选用。     

水泵水轮机开机过程水力特性研究

抽水蓄能电站水泵水轮机组在开机过程中产生剧烈的压力波动,转轮内复杂流动和压力脉动是引起固定部件强烈振动的主要原因之一。因此,需要对水泵水轮机开机过程的物理机理进行深入研究。本文同时建立了厦门抽水蓄能电站管路系统的一维特征线水力模型及水泵水轮机组过水流道的三维流场计算模型,开展了机组发电开机过程一维三维耦合的数值计算,重点分析了机组开机过程瞬时流动特点,以及转轮径向力和轴向力变化与外特性的内在关联性。研究发现,机组开机至空载状态时,由于导叶开度小、转速上升快,在无叶区形成了速率很高的水环,同时转轮流道内充斥着大量复杂的漩涡结构,导致了流量与转矩的突降。导叶动作、转速对径向力、轴向力的变化规律有直接的影响,开机过程中转轮径向力的变化趋势与活动导叶动作过程基本一致。轴向力的变化趋势与机组转速变化基本一致,转速和轴向水推力数值总体上为逐渐增大的趋势。本文研究结论为抽水蓄能机组和高水头混流式水轮机的开机过程物理机理和规律提供了有价值的参考。     

Development of a pumped-storage power station model for power system stability study

Since a pumped-storage power station generally is located far from the load center, it frequently encounters problems of power system stability, especially at the pumping operation mode. Capacity of units constructed in recent years is as large as a few hundred megawatts, and water head is as high as 500 m. The period of water pressure oscillation of such a high head station becomes longer and closer to power system swing. Under such condition the output is affected by the conduit system dynamics and becomes different from analytical results using the classical model which assumes constant torque or output during power system disturbance at the pumping operation mode. This paper describes the newly developed simplified pumped-storage plant model based on the elastic theory of the conduit system and the complete characteristics of the turbine, which has necessary accuracy to be analyzed because it is connected to bulk power system. Comparison with the real plant test result verifies the validity of the developed model. The interaction with power system is examined by linearized analysis and simulation study.     

构皮滩电站水轮机水力设计回顾

尽管构皮滩电站的水头变幅并不大,但最高效率要求较高,而且设计水头附近横向权值大.为了使电站充分发挥经济效益,变流量的工况下保证出力,水轮机必须具有高效宽广的效率圈.本文通过对过流通道及转轮的研究,展示了构皮滩电站水轮机水力开发的全过程,并介绍了实现高效宽广效率圈的指导思想.通过三维粘性流CFD对通流部件进行详细分析和优化,并比较分析了三组不同导叶分布圆对性能的影响.模型试验分别在哈尔滨大电机研究所和瑞士洛桑EPFL-LMH进行.该成果已用于构皮滩电站.     

世界抽水蓄能电站建设特点与发展趋向

世界抽水蓄能电站平均年增长速度为１０．９％，已建、在建总装机容量超过１亿ｋＷ，其中大于１００万ｋＷ以上的抽水蓄能电站有４０多座；抽水蓄能机组向高水头、大容量发展，抽水蓄能电站效益显著和广泛应用新技术。     

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。     

抽水蓄能电站岔管导流板体型研究

岔管体型对抽水蓄能电站水头损失影响较大,间接影响到电站的运行效益,岔管体型优化是当前研究的一个热点问题.为减小岔管的水头损失,本文在传统岔管设计基础上,提出一种新的岔管导流板设计方法.采用突缩管验证了数值模拟的准确性,通过数值模拟比较了有无导流板的岔管的流速分布,对岔管导流板的体型进行了优化.结果表明:岔管导流板能够减...     

抽水蓄能电站输水系统水力振荡可能性分析

抽水蓄能电站输水系统布置复杂,机组工况多且转换频繁,因水泵水轮机不稳定流动导致输水系统振荡甚至产生共振的可能性较大。本研究旨在分析水泵水轮机各种不稳定因素与输水系统发生共振的可能性。首先总结了水泵水轮机尾水管涡、旋转失速等不稳定流动的发生工况和频率范围;其次以某抽水蓄能电站为例,采用传递矩阵法计算输水系统自振频率特性,发现尾水管涡和旋转失速频率与系统频率重叠,有引起共振可能性;进一步以尾水管涡扰动作为振源对输水系统进行强迫振荡分析,得出系统沿线的压力振荡幅值分布。研究表明,尾水涡带和旋转失速最可能导致系统水力共振,某些电站出力波动可能与此有关;S区振荡也可能引起强烈的水力振荡,造成机组过渡过程事故;动静干涉、卡门涡是高频振动,主要影响水轮机压力脉动,可导致转轮结构共振和破坏,与输水系统共振的可能性小。     

抽水蓄能电站可逆式机组水泵工况启动过渡过程浅析

介绍了水力机组的过渡过程种类,分析了抽水蓄能电站可逆式机组水泵工况下过渡过程的特性。     

水轮机模式液力透平流道式导叶的优化

由于水轮机模式液力透平级间导叶水头损失占比高达40%,需要对液力透平级间导叶进行研究。在可选的级间导叶中,流道式导叶正反导叶连为一体,流道相对独立,是一种水力性能较好的级间导叶。本文基于水力原动机理论,将水流环量概念贯穿液力透平流道设计全过程,设计了与水轮机模式液力透平转轮相匹配的流道式级间导叶,并采用正交试验的优化算法,对水头影响较大的因素,包括导叶包角φ、正导叶出口角 、反导叶宽度 、流道外壁最大直径 ,各取4个水平进行正交试验方案的设计。通过CFD数值计算,分析各个方案的性能,找出了各因素对导叶性能的影响规律,在此基础上获得了效率较高的导叶模型,并研究了水力性能、叶片表面压力分布及叶片内部流动规律。研究表明：各个参数对效率的影响力中, 最大, 最小;对水头的影响力中, 最大,φ最小。优化后的模型在设计工况点效率提高了5.83%,应用水头提高了7.15%,级间导叶损失降低了1.16%,导叶表面压力过渡更加均匀,叶片内部水流流态更加平稳,满足液力透平对于高余压液体的能量回收要求。本研究可以为水轮机模式液力透平流道式导叶的选型和优化提供参考。