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。     

大变径卜型岔管的水力特性及优化研究

管径相差较大的卜型分岔管的水流特性相对复杂,接口附近可能产生回流和负压,对管道的安全运行构成威胁。为了改善卜型岔管连接段的流态,建立三维CFD数值模型对锥形连接的大变径高压岔管的流动特性进行了模拟,获得了岔管区域的流速和压力分布。采用相应的物理模型试验进行测试比较,验证了数值模拟的准确性。通过数值模拟比较了有无锥形过渡的岔管的水流流态,对大变径卜型岔管的连接方式进行了优化。结果表明,采用锥形过渡可以有效地减少岔管的负压区和回流区,对防止大变径岔管的空蚀破坏,改善水流流态具有重要意义,为岔管体型优化提供参考。     

溢流坝表孔弧形闸门流激振动原型观测研究

本文根据溢流坝弧形闸门的工作特点,对工作闸门的泄流流态、闸门结构的静动力特性以及流激振动响应等方面进行了系统观测研究。在静力特性观测研究的基础上,进行了闸门局部开启泄洪状态下的水力学和流激振动状态检测,取得了不同开度下溢流坝闸孔进口水流流态,揭示了大开度运行时门前涌浪对闸门面板下部结构的冲击作用。获得了闸门结构不同开度条件下典型部位的水流脉动压力作用以及振动加速度、动位移和动应力等动力响应参数的量级及其谱特征,取得了闸门振动量随开度的变化规律。对闸门结构的运行安全性进行分析评价和科学论证,提出了闸门结构局部开启的运行操作规程。     

泵站前池与进水池整流方案数值模拟

针对田山一级泵站采用闸门控制前池与进水池水位形成闸下射流的引水特点,提出了改善前池与进水池水流流态的不同整流方案.采用雷诺时均N-S方程结合标准k-ε的湍流模型,对不同整流方案的前池与进水池水流流态进行数值模拟,分析并选择了合适的整流工程措施.模拟结果表明,采用非连续底坎、非连续挑流坎与压水板三种整流措施相结合的方案后...     

大型管道输水系统充水过程瞬变流研究进展

充水过程是大型管道输水系统在建成或检修后的第一道工作程序,其瞬变流特性对工程的安全运行具有直接影响。关于充水过程瞬变流的分析,目前国内外的研究主要集中在明渠、隧洞和倒虹吸等输水系统,而在有压管道输水系统中的充水瞬变流研究相对较少。本文讨论了管道充水过程瞬变流计算模型,分析了充水过程中可能出现的水柱分离及弥合现象所需要的计算方法,总结了用于充水过程水锤防护的空气阀计算模型及求解方法,指明了管道输水系统充水过程瞬变流研究前沿与发展方向。相关成果对管道输水系统的工程设计和优化运行具有参考价值。     

船闸输水阀门后底突扩廊道流态特性分析

高水头船闸输水反弧门开启过程中，阀门后廊道内产生非恒定分离回流与旋涡运动，容易发生水流空化。本文通过二维数值计算，给出了反弧门后底突扩后廊道内流态随阀门开度的变化，分析了小开度平稳变化型、大开度剧烈振荡型与满开度准恒定型三种不同流态的特征与发生、发展机理，比较、分析了阀门后廊道底部突扩体型与顶部渐扩体型水动力特性的异同。     

梯形明渠–马蹄形隧洞过渡段流动形态与局部水头损失研究

本文以新疆克拉玛依引水工程西干渠为背景,通过物理模型试验研究了从梯形明渠到马蹄形隧洞进口过渡段的水面衔接特点和局部水头损失规律。模型采用重力相似设计,比尺为1∶25,由有机玻璃制成。在试验过程中,测量了流量在3.88~17.05 L/s范围内水面线的纵向变化,发现当流量大于13.37 L/s时,洞口水面壅高,洞内存在水面波动,分析认为是由侧壁收缩引起的水面紊动所致。根据水深变化和平均流速计算得到过渡段局部水头损失,发现其随水面收缩角增加呈先减小后增大的趋势,进口过渡段局部水头损失系数为0.19~1.24。针对原模型试验发现的问题,模型试验中延长了过渡段,对扭曲面段、矩形段长度进行了优化。模型改进后,水流平稳,波动减弱,局部水头损失系数减小至0.05~0.82。试验结果为实际工程梯形明渠到无压隧洞的过渡段设计提供了依据。     

进/出水口出流扩散脉动流速规律试验研究

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态,拦污栅断面脉动流速很大,可能危及拦污栅安全,其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置,利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大,流速脉动值可达时均值的1.8倍,平均紊动强度为0.724,该断面流速脉动呈现出明显的正态性,其概率密度分布基本服从正态分布;水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中,紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律,水流在输水隧洞段脉动流速小,在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大,脉动流速值接近时均值,甚至大于时均值,进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。     

抽水蓄能电站尾水岔管水流运动及阻力特性试验研究

结合江苏宜兴抽水蓄能电站尾水岔管试验研究任务,利用粒子图像测速（PIV）系统测量了岔管内的水流流态,同时在含弯道和岔管的试验段前后断面上量测压强差,通过水头损失分析,对尾水岔管的水流阻力特性进行了研究。结果表明岔管段的水流运动和抽水蓄能电站的运行工况有密切关系,双机发电和双机抽水时岔管内的水流运动平顺,无明显的漩涡,单机发电及单机抽水工况未过流支管内有明显的漩涡运动。岔管内水流阻力特性实验结果表明在不同运行工况下水流进入阻力平方区的临界雷诺数是不同的,并获得了相应的临界雷诺数和阻力平方区的局部水头损失系数,为工程应用提供参考。     

基于非均匀间隙的充水保压蜗壳施工仿真分析

本文采用基于保压缝隙不均匀差异性概念的仿真算法,考虑钢蜗壳和混凝土的接触,通过ABAQUS大型有限元程序计算实现了保压蜗壳浇筑混凝土的施工过程仿真;研究保压浇筑后蜗壳和混凝土之间的初始缝隙开度随机组运行过程的变化和接触界面的接触性态,并给出施工过程中钢蜗壳应力随浇筑过程的变化规律,对钢筋和混凝土的应力做了细致分析.通过和简化方案对比,得出仿真方案更符合工程实际的结论.研究成果对保压蜗壳的施工过程监测和长期运行安全评价具有参考价值.     

输配水系统明满瞬变流全窄缝数值模型

发生在输配水系统中的明满流交替过程是引起系统破坏的主要原因之一。准确模拟发生在输配水系统中的混合明满流瞬变过程,是亟须解决的技术难题之一。然而,常用的Preissmann窄缝法无法模拟含负压流的瞬变过程,很大程度上限制了该数值模型的适用范围。本文耦合二分压力法及Preissmann负窄缝思想,建立了一套可模拟求解非恒定明流、含负压的有压瞬变流及含负压的明满交替混合流数值模型,并基于CFL约束条件提出了对负压流与明流的判别方式。通过明渠充水、有压管道水锤及充水过程中关阀形成的明满流交替及水锤同时作用的复杂算例表明：本文所建模型突破了传统Preissmann窄缝法不能模拟负压的局限及二分压力法判别明流及满管负压流的困难,实现了对不考虑气液两相相互作用下的明满交替瞬变流的准确模拟。     

广州抽水蓄能电站A厂过渡过程仿真计算分析

抽水蓄能电站工作条件复杂多变,工况转换频繁,导致管道压力剧烈变化,机组流动性能严重恶化。机组运行过程中出现的振动问题是影响其安全运行的主要原因,尤其在开、停机以及甩负荷过程中,振动现象尤为明显。本文针对广州抽水蓄能电站A厂已有典型过渡过程工况试验数据,进行了一维过渡过程数值计算,将蜗壳末端压力、转速等特性参数计算结果与试验数据进行了对比分析;同时建立了机组三维全流道模型,采用数值方法计算分析了机组发电工况开、停机过程中,不同时刻对应导叶开度下的轴向水推力,为轴系动力学分析提供了边界条件。     

基于加权潮流转移熵的电网脆弱线路辨识

为了辨识电力系统的脆弱线路,本文基于熵理论对现有的潮流转移熵模型做了改进,提出基于加权潮流转移熵的支路脆弱性评估指标,该指标在衡量转移潮流分布的不均衡性时综合考虑线路的负载率,克服了以往模型忽视支路本身属性差异的不足;再结合线路的电气介数,提出一种新的支路综合脆弱性评估模型。该模型从线路之间相互作用的动态过程和电网拓扑结构两个角度综合评估线路的脆弱度。通过对IEEE 39节点系统的仿真分析,可以发现本文提出的方法能够有效克服从单一角度辨识脆弱线路,验证了所提模型的正确性和合理性。     

湿度对混凝土简支梁受力变形影响研究

与水接触的混凝土的湿胀变形必然引起混凝土结构性能变化。基于Fick第二定律建立湿度扩散模型，应用物理试验率定了饱和湿度扩散系数，通过混凝土一维吸水试验验证了模型的合理性。以混凝土简支梁自由吸水为例，采用试验和数值模拟方法研究湿度对梁受力变形影响机理，以数值模拟结果为主研究了湿度引起混凝土弹性模量变化和湿胀效应对梁挠度和截面应变影响，以及二者综合效应对梁截面应力的影响。研究表明，采用的模型和参数可较好地模拟湿度在梁内的非线性分布。因湿度引起弹性模量变化而造成梁挠度及应变变化较小，而吸水湿胀引起梁挠度和应变以及综合效应对梁的应力影响较大。对于与水接触的混凝土结构，设计时有必要考虑湿度对结构产生的影响。     

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。     

超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞的数值模拟研究

为了克服传统模型试验对竖井旋流泄洪洞复杂水力特性测试的局限性,本文基于VOF法采用Realizable k-ε双方程紊流模型,对某一超高水头、大泄量竖井旋流泄洪洞进行数值模拟,得到了水流流态、空腔直径、压强及旋流角等水力要素的分布规律,由模拟结果分析得出:竖井内旋转水流的水层厚度分布不均,主流水体,水层较厚,非主流水体,水层相对较薄。旋转水流切向流速的衰减梯度从上到下逐渐降低;在竖井前半段,轴向流速随竖井高度的降低增加较快,竖井中下段,主流水体的轴向流速增加明显,而非主流水体增加缓慢。利用试验测试数据对计算结果进行对比验证,结果表明计算值与实测值吻合良好,说明数值模拟方法可行。     

基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟

针对三维溃坝洪水数值模拟缺乏涉及城市复杂下垫面地形建模的水库溃坝洪水演进的研究现状,本文首先提出了基于TIN与NURBS曲面重构的精细地形建模方法,同时结合等效糙率法以区分不同的下垫面条件对洪水的水流运动产生的阻力影响,从而为溃坝洪水演进三维数值模拟提供精细的下垫面信息;其次,采用耦合VOF法的修正RNG k-ε湍流模型模拟了溃坝洪水的演进过程,并通过模型验证分析了该模型的准确性;最后,以某城市地区水库溃坝为例,分析了下游复杂区域洪水演进过程、流速、水深等水情信息。结果表明:本文提出的地形建模方法具有较小的数据储存量且保持较高的地形精度;同时基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟既准确地模拟了洪水演进过程,且充分地反映了溃坝水流的复杂流态及细节。     

水轮机筒阀动水关闭过程的三维非定常数值模拟

在充分考虑筒阀与邻近部件之间相互影响的基础上,本文以水轮机全流道为研究对象,利用非结构化网格划分计算区域,采用RNG k-ε湍流双方程模型对筒阀内部非定常流动进行研究,并对筒阀及上下游相关的水轮机各过流部件在动水关闭状态下进行数值模拟,着重分析并得出了水轮机筒阀周边流场及引水部件蜗壳、固定导叶和活动导叶在筒阀不同开度下的压力和流速分布等流态特征,这些流态特征的分析可以预测混流式水轮机的工作状态,防止飞逸现象的发生,同时也为水轮机筒阀电液同步控制系统提供设计和操作参数等理论依据。     

活动导叶开度对水泵水轮机泵工况的影响研究

为了解水泵水轮机泵工况活动导叶启闭过程中的性能,参考某抽蓄电站的水泵水轮机建立数值计算模型,对导叶不同开度时的流动特征进行分析。采用SIMPLEC算法和SST k-ω模型详细分析了泵工况不同导叶开启角度下转轮、导叶附近的流场,结合实验数据对各操作工况下的性能进行分析。结果表明,当活动导叶开启角度γ小于18°时,涡的强度大能量损失多,并且出现平面射流,扬程随着γ减小而迅速降低;当γ大于21°时,涡量分布均匀,涡结构产生的能量损失小,同一流量下不同γ的扬程和效率基本保持不变;操作工况下不同γ的扬程均与流量呈线性关系。结论为水泵水轮机的操作工况选择提供依据,也可以指导水泵水轮机的优化设计。     

Bakun水电站叠梁高程对下泄水流溶解氧影响数值模拟

在库温分层条件下，Bakun水电站通过设置导水叠梁来获得表面取水效果，本研究采用数值模拟手段，模拟不同叠梁高程和不同水位时坝前库区流场分布和坝前溶解氧沿水深分布，然后计算出下泄水体中溶解氧的变化过程。为叠梁高程的选取提供技术支持。