基于L-F狭缝法的变顶高尾水洞过渡过程计算

水电站变顶高尾水洞常出现明满流交替的复杂流态。为研究变顶高尾水系统的过渡过程,提出了L-F狭缝计算方法,即通过狭缝模型,将明满两种流态采用同一方程组表示,再采用L-F格式离散建立差分方程组,结合边界、初始条件,即可用于明满流的计算。以某大型水电站为实例进行数值模拟,并与实测数据进行比较。结果表明,计算模拟值与实测数据误差较小,证明该方法可模拟变顶高尾水洞的过渡过程,能较准确地反映系统的暂态特性。     

双机共变顶高尾水洞系统小波动稳定性研究

双机共尾水管路布置是一种典型的首部／中部开发水电站输水系统布置方案．考虑尾水道较短时，除尾水调压室方案以外，可采用变顸高尾水洞方案．不同于传统的特征分析法，采用基于有压管道特征线法、跟踪明满流分界点的明渠改进狭缝法和状态方程数值计算的联合算法，结合相应的边界条件，研究负荷扰动情况下变顶高尾水洞方案的小波动稳定性和调节品质，并与相应的尾水调压室方案作进一步的比较分析，结果表明：变顸高尾水洞方案小波动稳定性明显优于尾水调压室方案，为变顶高尾水洞的应用提供可靠的比选依据．     

白鹤滩尾水隧洞明满流对水电站稳定性的影响

白鹤滩水电站单机容量为1 000 MW,规模居世界第二。对于水电站而言,引水发电系统的稳定性尤为重要,而该水电站的尾水隧洞存在着明满流现象,严重影响到了引水发电系统的稳定性。为此,采用特征隐格式下的虚拟狭缝法,分析了尾水隧洞内不同流态对机组稳定性及尾水调压室水位波动的影响。分析结果表明：当明满流段流态为明流时,可以加速调压室水位波动收敛,有利于输水系统的稳定;当流态为明满过渡流时,其压力脉动现象会导致机组调节品质变差,不利于输水系统的稳定。此外,明满流段的长度对机组调节品质影响很小,长度的选取不受输水系统稳定性限制。研究成果可为类似输水系统设计和研究提供参考。     

导流洞改建尾水洞明满流过渡过程数值模拟

针对导流洞区别于常规尾水洞的水力特性,在分析总结明满流数学计算方法的基础上,采用狭缝法的特征隐式格式法建立模型,对尾水洞中明满流过渡过程进行数值模拟。结合工程实例,采集过渡过程中监测点的压力和水位极值,并利用该电站引水发电系统整体水工模型试验进行验证。对比分析得到数值计算结果与模型试验结果一致,表明该数学模型适用于导流洞改建发电尾水洞明满流过渡过程的数值模拟。     

复杂输水发电系统尾水隧洞明满流对水力过渡过程的影响

为研究输水发电系统中明满流尾水系统的水力特性及其适用性,基于特征线法和特征隐式格式法建立水电站输水发电系统过渡过程分析模型,比较分析了明满流与全有压流两类尾水系统的水力特性以及尾水系统明满流过渡过程对输水发电系统瞬态参数和机组调节品质的影响。结果表明:在尾水隧洞全有压和明满流条件下,机组调节保证计算参数的控制值偏差较小,明满流尾水系统对应的尾水管进口最小内水压力相对较大;考虑明满流尾水系统的机组调节品质优于有压流尾水系统,且无明显的高频振荡叠加现象。     

压坡渐扩式出口泄洪洞水力特性数值计算分析

为研究不同闸门开度及水位工况条件下，压坡渐扩式出口泄洪洞洞身及出口流态，采用RNG k-ε湍流模型对压坡渐扩式出口泄洪洞的水力特性进行数值模拟。结果表明：闸门全开时，泄洪洞全洞范围内均呈有压流状态，流态稳定；闸门非全开且水位较低时，洞内流态不稳定，容易出现明满流交替的运行状态；闸门小开度时，挑流鼻坎抬高了出口水位，受出口挑坎反弧阻滞作用，出口段流速有所减缓，挑距较小，水流易冲击坡脚。故对于压坡渐扩式出口泄洪洞，设计时有必要开展水工模型试验研究。     

白鹤滩水电站尾水洞明满流段优化试验研究

白鹤滩水电站尾水隧洞末端部分洞段由导流洞改建而成,尾水位较低时,存在明满流现象,对输水系统安全有重要影响。本文采用模型试验方法,对明满流段的流态及体型优化进行研究。结果表明:过渡过程中,尾水洞内正反向水流相叠加,产生水面涌波,触顶后形成眀满流,并伴随压力脉动现象。脉动压力的极值远小于隧洞衬砌压力的设计值73.5 m,对尾水隧洞衬砌段结构影响较小。结构优化研究表明在尾水隧洞出口设置逆坡堰及优化衔接段坡度,可有效改善明满流流态。     

变坡长隧洞明满流水力特性研究

明满流交替是长隧洞常遇到的不利水流流态,尤其是洞内截留气囊输移现象会对隧洞结构安全构成威胁。通过试验研究,阐述了变坡长导流隧洞洞内流态的演变过程,指出随着上游水位上升,洞内水流流态呈现由水跃转变为明满流交替、直至有压流的演变过程,分析了典型流态下隧洞的泄流能力,得到了明满流交替的流量系数介于无压流和有压流流量系数之间的结论。同时探讨了明满流交替过程的压力波动,发现明满流交替的压力波动持续时间较长、振幅较大,但压力峰值持续的时间很短,并且截留气囊可有效减缓隧洞底部压力波动。     

基于Hopf分岔的变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统稳定性研究

运用Hopf分岔理论对变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统的稳定性进行研究。首先建立水轮机调节系统非线性数学模型,其中改进的引水系统动力方程可更准确描述变顶高尾水洞明满流分界面运动特性,据此模型进行非线性动力系统Hopf分岔的存在性、分岔方向等的分析,推导得到系统发生Hopf分岔的代数判据;然后利用代数判据绘制了系统的稳定域,并分析了系统在不同状态参数下的稳定特性;最后利用稳定域分析了变顶高尾水洞在机组负荷调整下的稳定性工作原理。结果表明:变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统的Hopf分岔是超临界的;明满流引起的水流惯性变化在机组减负荷时对系统的稳定性有利、增负荷时对系统的稳定性不利,明流段水位波动的作用对于系统的稳定性在增、减负荷下都是有利的。     

基于VOF方法的尾水隧洞过渡过程明满流水力特性研究

针对尾水隧洞结合导流隧洞布置时过渡过程中的明满流问题,采用VOF气液两相流模型对尾水系统的三维流场进行计算和分析.计算了尾水隧洞过渡过程中满流至明流和明流至满流两种典型工况,通过模型试验中尾水隧洞监测点的数据验证了数值模拟的可靠性和准确性.在此基础上,对明满流的水力特性进行了深入的分析和研究.结果表明:尾水隧洞发生明满...     

动力强度折减法在水工隧洞稳定性分析中的应用

采用动力强度折减法对水工隧洞进行了地震作用下稳定性数值计算分析,并进行了振动台模型试验,模拟了地震对隧洞的作用,得到了和数值计算一致的结果,对其进行了对比验证。结果表明隧洞的破坏是一个渐变过程,首先在薄弱部位形成破裂区,逐渐扩大,直至破裂区贯通破坏;不同埋深隧洞在地震中的破坏形式不同,浅埋隧洞在其上方形成贯通到地面的破裂区,深埋隧洞在其周围形成贯通的破裂区,并不延伸到地面;隧洞的洞径对隧洞的动力稳定性影响较大,洞径增大1倍,安全系数降低45%左右。     

基于三维非稳定渗流分析的隧洞开挖地下水环境影响评价

水利工程中隧洞施工通常采用全部开挖完成再衬砌的方法。如针对开挖施工的短暂状态采用稳定渗流计算分析其对地下水环境的影响,并不符合实际,且往往会夸大地下水位降落的幅度和影响范围,因此采用非稳定渗流数值模拟技术来评价将更为合理。以某水电站发电引水隧洞施工为例,采用饱和-非饱和非稳定渗流理论,建立了引水隧洞区域的三维有限元模型,对隧洞开挖过程中区域地下水非稳定渗流场进行了数值模拟,总结分析了隧洞从开始挖掘到贯通过程的地下水变化规律并进行地下水环境影响评价。结果表明:采用三维非稳定渗流分析预测隧洞开挖过程中地下水位降落和降落漏斗扩大的过程是可行的;该工程引水隧洞开挖对该区域地下水影响较小,地下水补排关系总体无变化。     

大流量进水工况下主隧系统水气运动特性

为给深层隧道排水系统工程的主隧系统结构设计和工况控制提供依据,采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法,建立与物理模型体型结构相同,包含两竖井和相连主隧段的主隧系统三维数值模型,利用该数值模型对两种大流量极端工况下的进水过程进行三维动态数值模拟.结果表明:主隧系统在大流量下的进水过程可归纳为水流从两端竖井进入主隧,水流碰...     

设置尾水连通管的抽水蓄能电站引水发电系统小波动稳定分析

设置尾水连通管后,可缓解抽水蓄能电站相继甩负荷工况尾水管最小压力,但其对系统小扰动稳定性的影响还不清楚。本文建立了设有尾水连通管的抽水蓄能电站引水发电系统小波动状态方程,利用状态空间法对小扰动下机组转速、调压室水位等状态变量波动过程进行了稳定性分析,并与基于特征线法的弹性模型计算结果进行了对比,验证本文理论分析模型的正确性。同时基于理论模型,研究了尾水连通管对于系统小波动稳定性产生的影响,并对连通管管径及位置进行了敏感性分析,得出以下结论:尾水连通管及其管径的大小、设置位置对于系统小波动稳定域、机组转速变化及调压室水位波动过程产生的影响基本可以忽略;设置尾水连通管后,系统小波动过渡过程中,尾水支管流量发生变化,使得两侧尾水支管压力平衡,但并不增加整体系统的阻抗。     

锦屏二级水电站小波动稳定性分析及对策研究

锦屏二级水电站引水系统长约17 km,水流惯性时间常数非常大;另外,装机容量也比较大,为8×600MW,在电力系统中占有较重要的地位。在工程的实际施工过程中,因地质条件复杂等原因,其引水系统布置及上、下游相关的边界条件出现过多次调整,因此,为了改善水力学条件,在上游设置了巨大而复杂的差动式调压室。针对锦屏二级水电站的引水发电系统小波动稳定性问题展开了计算分析,同时,针对极端工况下的孤网不稳定问题进行了研究并提出了相应的对策;结合机组现场调试成果,提出了一些有关机组运行控制方面的建议。     

A NUMERICAL STUDY OF THE TRAIN-INDUCED UNSTEADY AIRFLOW IN A SUBWAY TUNNEL WITH NATURAL VENTILATION DUCTS USING THE DYNAMIC LAYERING METHOD

The objective of this study is to investigate numerically the characteristics of train-induced unsteady airflow in a subway tunnel with natural ventilation ducts. A three-dimensional numerical model using the dynamic layering method for the moving boundary of a train is first developed, and then it is validated against the model tunnel experimental data. With the tunnel and subway train geometries in the numerical model exactly the same as those in the model tunnel experimental test, but with the ventilation ducts being connected to the tunnel ceiling and a barrier placed at the tunnel outlet, the three-dimensional train-induced unsteady tunnel flows are numerically simulated. The computed distributions of the pressure and the air velocity in the tunnel as well as the time series of the mass flow rate at the ventilation ducts reveal the impact of the train motion on the exhaust and suction of the air through ventilation ducts and the effects of a barrier placed at the tunnel outlet on the duct ventilation performance. As the train approaches a ventilation duct, the air is pushed out of the tunnel through the duct. As the train passes the ventilation duct, the exhaust flow in the duct is changed rapidly to the suction flow. After the train passes the duct, the suction mass flow rate at the duct decreases with time since the air pressure at the opening of the duct is gradually recovered with time. A drastic change in the mass flow rate at a ventilation duct while a train passes the corresponding ventilation duct , causes a change in the exhaust mass flow rate at other ventilation ducts. Also, when a barrier is placed at the tunnel outlet, the air volume discharge rate at each ventilation duct is greatly increased, i.e., the barrier placed at the tunnel outlet can improve remarkably the ventilation performance through each duct.     

联合运行水电站水力机械系统小波动稳定性研究

推导了水电站联合运行条件下的系统等效惯性时间常数、总出力变化以及机组控制方程,结合水电站实际工程的水道布置及机械特性,分别建立了系统的小波动稳定理论分析模型和小波动过渡过程时域仿真模型。通过理论分析,给出联合运行条件下系统的稳定性特征,采用数值仿真,模拟了负荷扰动时系统参数的小波动过渡过程,并与孤网条件下单个水电站的稳定性及调节品质进行了比较。结论表明:相对于孤网运行,水电站联合运行可增加系统的稳定性,改善系统的调节品质,联合运行改变了机组的调节方式,系统总出力与负荷平衡,机组无需保持自身出力为常数;联合运行时,调速器参数可在系统稳定域内选取相对较小值,在保证系统稳定的前提下,可加快调节过程,改善调节品质。     

向家坝水电站右岸变顶高尾水洞的水力计算

向家坝水电站尾水下接金沙江，江水位变幅大，尾水隧洞选用变顶高尾水洞方案时可不建尾水调压室，但洞内压力和明满交界面会随水流过渡过程变化。经建立包含引水系统、机组和调速器在内的计算机仿真程序的水力过渡过程计算表明，变顶高尾水隧洞方案在明满交替流工况下，未产生气囊，洞顶内水压力变幅不大，对机组没有产生不利影响，电站调节系统能满足大、小波动稳定的要求。     

基于FLUENT的小尺度粗糙明渠紊流数值模拟

采用计算流体动力学软件FLUENT 对一小尺度粗糙明渠紊流进行数值模拟研究,得到了不同水深的垂向流速分布、壁面切应力以及摩阻流速值,并将数值计算结果与物理模型实验结果作了比较,发现两者符合得较好,从而验证了FLUENT 用于计算小尺度粗糙明渠紊流的有效性.由于计算机性能的限制,无法得到粘性底层和过渡层的"真实"流速分布,有待今后进一步研究.