南水北调中线工程总干渠水力学 仿真模型研究

以节制闸为边界将南水北调中线总干渠分为若干子段,采用闸门过闸流量公式、能量方程、圣维南（Saint-Venant）方程组和低压管流方程分别计算闸门水位流量关系、明渠恒定流、明渠非恒定流和有压建筑物非恒定流,以此建立总干渠水力学计算模型。通过双重迭代方法对水流方程、过闸流量方程进行联合求解,以模拟总干渠运行调度动态过渡过程,以京石段2008年输水实测数据对水力学模型进行验证,结果表明模型具有良好的收敛性和较高的精度。     

多孔弹性膜对调压室涌波的削减作用

为减少调压室工程量并保证引水系统安全高效运行,提出了调压室内部布置多孔弹性膜方案,以削减调压室涌波幅度并使波动快速衰减。采用"U"型管水柱振荡模型进行物理试验对方案进行了验证,得到了涌波削减效果与多孔弹性膜的开孔面积成反比,与布置层数成正比的规律。通过CFD数值仿真计算对调压室内部的流场特性进行分析,以阐释其消能效果的原理。研究表明,布置多孔弹性膜扰动调压室内部的流场,产生涡带、旋滚和绕流,增大水体波动时的水头损失,使得调压室内水体能量得以耗散,达到快速削减调压室涌波的效果。数值仿真计算结果和物理模型试验具有较好的一致性。对于增加引用流量增效扩容的水电站,设置多孔弹性膜可作为不重建引水发电系统的改造方案。     

上下游双调压室调节保证计算及稳定性分析

文中采用有压管道系统非恒定流特征线计算方法,对具有上下游双调压室的某水电站建立了数学模型,分别计算了一段直线关机规律和两段折线关机规律对机组调节保证计算结果的影响,并对引水系统稳定性和波动周期进行了计算分析.     

空气阻抗式调压室及其波动水位计算

本文介绍了一种目前还未被实施的新式调压室——空气阻抗式调压室。并从其工作的特性,利用压缩流体动力学和不可压缩流体动力学知识相结合,推导出波动水位的计算公式,并设计了一个能够较为准确地模拟水位波动全过程的BASIC计算程序。使得这一比较复杂的非恒定流问题的计算研究变得很容易。文后还列举了一个算例,从中可以看出,这种结构型式的调压室仍是可取的。     

明渠结合有压管调水系统的水力瞬变计算

研究了明渠结合有压管调水系统水力瞬变的数值模拟，采用明渠非恒定流基本方程同时描述明渠的非恒定流和管道的有压汉，对有压流动采用了窄缝法求解，此外，研究了用非恒定流计算方法求解恒定流动，并提出了保证数值计算收敛的措施和方法，作为应用，模拟计算了正在修建的东深供水改造工程的恒定流和水力瞬为流。     

二维明渠非恒定水流BGK数值模型

本文根据BGK波尔兹曼方程及明渠水流中波尔兹曼变量与宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动方程，验证了BGK波尔兹曼方程与明渠水流运动方程的一致性，并从理论上证明，圣维南方程是BGK明渠水流模型在局部平衡状态下的一个特例。以BGK波尔兹曼方程为基本方程，利用有限体积离散方法，建立了满足熵原理的二维明渠非恒定水流的BGK数值模型。通过对典型的明渠水流现象的模拟，并与其它计算方法获得的解以及实验结果相比较，表明BGK模型勿须人为的熵修正，能准确地模拟存在不连续运动的明渠水流运动，是一种较好的明渠非恒定水流模型。     

上游常水位自动控制渠道明渠非恒定流动态边界条件

本文在分析灌溉渠道上游常水位闸门（即ＡＭＩＬ门）动态过程的基础上，建立了以闸门运动为动态边界条件的明渠非恒定流计算模型。通过对闸门动态过程数学模型的拉氏变换、Ｚ变换和Ｚ反变换，列出了描述闸门运动受水位变动影响的差分方程，将其与描述明渠非恒定流的一维计算模型互为边界条件，用非耦合算法计算，可以预报系统的过渡过程，为渠道和闸门的合理设计提供依据。     

不同类型调压室非恒定流联合分析的比较

对常用二种类型调压室引水系统的非恒定流进行计算，同时得出每种类型指定断在的压力；水轮发电机组的转速变化，调压室水位波动过程，最后进行了定性分析比较。     

用质量波动方程和水击波方程相结合的方法求解水轮机和调压室的过渡过程

本文介绍了水电站的调节保证计算与调压室的水力设计相结合的电算数学模型,即先用特征线方程加上连续方程、机组惯性方程和综合特性曲线(或全特性曲线)数据,求解机组过渡过程,然后以压力钢管内的流量变化过程为时间的已知函数,用质量波方程加连续方程求调压室内的水位波动。以此编制的计算机程序用IBM微机就可方便地对导叶关闭(或开启)规律和调压室型式、尺寸等进行优化设计。计算精度和速度远高于传统的调保计算方法和调压室的图解法。     

基于非恒定流过渡过程计算的水电站调压室优化设计

长引水系统水力计算的主要内容和根本实质就是计算调压室的大、小波动及水力干扰过渡过程,以确定调压室的断面结构,这是重点,也是难点。介绍了基于非恒定流过渡过程的计算方法,并据此计算方法结合渡口坝电站工程实例优化了调压室的设计方案。     

调压室涌浪数值计算

浪计算是确定调压室尺寸的重要参数，本文用四阶龙格－库塔法对水电站调压系统非恒定流控制方程进行数值计算，并编制了通用计算程序，可用于圆筒式、阻抗式、双室式和尾水调压室的涌浪计算。程序适用于机组按指定的时间（或规律）进行开启（或关闭）等不同工况。     

调压室涌浪数值计算

涌浪计算是确定调压室尺寸的重要参数，本文用四阶龙桥－－库塔法对水电让调压系统非恒定流控制方程进行数值计算，并编制了通用计算程序，可用于圆筒式、阻抗式、双室式和尾水调压室的涌浪计算。程序适用于机组按指定的时间（或规律）进行开启（或关闭）等不同工况。     

光滑明渠非恒定流变形特性研究

为了探求明渠非恒定流的变形特性,建立了一套高精度的明渠非恒定流试验系统,通过不同频率、流量、底坡等40组水槽试验,对光滑明渠内正弦型连续非恒定流传播过程进行了研究。结果表明：非恒定流在传播过程中,随着传播距离的增加,其上升段往往越来越陡,下降段越来越缓,甚至出现波的破碎现象,但总的周期保持不变。最后通过对40组试验结果分析,得到了计算明渠非恒定流变形率Ta(x)的计算公式。     

复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型

大型跨流域调水工程。通常具有输水线路长、沿程过水建筑物类型和数量多的特点。节制闸、分水口及倒虹吸、渡槽等建筑物与水流的复杂作用，造成了长距离输水明渠非恒定流模拟的困难。建立了复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型。模型定义和模化了节制闸、倒虹吸和多孔并联渡槽等3种类型的内边界条件，实现了对输水明渠水力过渡过程中水位、流量大幅度变化的无间断连续模拟。模型应用于南水北调中线一期工程总干渠全线和单个闸门的模拟分析。验证了模型的合理性。结果表明，模型能够模拟多内边界复杂输水渠道的水力响应过程，可作为南水北调中线一期工程等跨流域大型明渠输水工程的模拟工具。     

明渠恒定非均匀渐变流设计断面简易计算方法

在明渠恒定均匀流流量公式的基础上,推导明渠恒定非均匀渐变流流量近似计算公式,并应用于淮北平原水利连通工程河道断面设计。利用HEC程序试算设计断面的过流能力,验证明渠恒定非均匀渐变流计算公式精度满足要求,且计算简单方便,可应用于工程设计。     

标准Ⅰ型马蹄形断面水力特性的研究

为研究标准Ⅰ型马蹄形断面正常水深、弗劳德数和收缩断面水深的计算方法,根据明渠均匀流理论、明渠恒定非均匀流理论和能量方程,分析了标准Ⅰ型马蹄形断面的水力特性,提出了3种工况下的正常水深与流量关系、弗劳德数,以及2种工况下收缩断面水深的迭代计算公式,并通过算例给出了解题过程。研究成果计算简单、精度高,可以应用于实际工程。     

阻抗式调压室阻抗孔面积影响水力计算研究

采用非恒定流数值模拟计算方法,对某水电站工程的压力引水系统进行了仿真模拟计算研究。通过改变阻抗孔口面积与调压室底部引水管道面积的比值,探究蜗壳末端最大水锤压力、调压室涌波水位、调压室水位波动振幅和衰减度的变化规律,验证了水电站调压室设计规范要求阻抗孔口面积与调压室底部引水道面积之比不应小于15%的合理性。在满足设计规范的情况下,得出此工程阻抗孔口面积与调压室底部引水管道面积的合理比值为0.4～0.45。     

明渠恒定渐变流水面变化规律探讨

针对明渠恒定渐变流的水面变化问题,根据水力学能量方程,建立了明渠恒定渐变流的能量微分方程,并推导出水位及水深的沿程变化规律,通过数学推导,得出明渠恒定渐变流在缓流和急流状态下的水面变化规律。该规律不需对河渠水面线进行分区分情况讨论,适用于各种河渠断面,适用性强,在河渠设计中,也可以通过该规律反算河渠参数,使河渠满足水位和水深的工程要求,实用性强。     

多波长明渠非恒定流传播特性研究

为进一步研究多波长明渠非恒定流的传播特性,提出一种新型的隐式迭代法,对多波长明渠非恒定流进行数值模拟,并通过水槽试验对其计算结果进行验证,证明新型的隐式迭代法可以进行多波长明渠非恒定流计算,计算结果精度较高。通过多波长非恒定流的水槽模拟,总结出在高比降及大平均流量的情况下,非恒定流沿程传播速度较快,衰减较慢;在低比降与小平均流量的情况下,非恒定流沿程传播速度较慢,衰减较快。对于进口流量变幅相同的工况,流量和水深变幅的衰减百分比在相同波长内几乎完全一样。     

明渠—前池—有压引水系统水力瞬变过程计算研究

针对水电站明渠—前池—有压引水系统水力瞬变过程中明渠段和有压段时间步长相差大、计算过程复杂等问题,提出了有限差分法和特征线法相结合的计算方法。对明渠和有压引水系统分别采用有限差分法与特征线法计算,把前池当集中元件处理,联合水轮机、调速器计算模型,采用统一的时间步长,在Simulink中采用模块化编程,进行过渡过程计算。将模型应用于MZD水电站水力瞬变过程计算,得到关键节点调压室的最高涌浪水位计算值为2 178.96 m,而物理试验值为2 178.57 m,二者非常接近。调压室水位波动过程线与试验结果亦吻合良好。研究表明,有限差分法和特征线法相结合,实现了明渠段和有压段时间步长的统一,降低了计算的复杂程度,可用于明渠—前池—有压引水系统设计。