竖井式进出水口水力特性研究进展

竖井式进出水口是抽水蓄能电站水道系统两端控制水流的常用进出水口型式之一。竖井式进出水口双向过流,水流在短距离内经历两次90°流向转变(水平-竖直-水平),流向变化剧烈,水力条件复杂,深入研究竖井式进出水口水力特性,进而优化其体型结构,对抽水蓄能电站设计及施工具有重要意义。首先,介绍竖井式进出水口应用背景及体型特点,分析竖井式进出水口水力特性存在的问题;其次,对竖井式进出水口孔口流量分配、拦污栅断面流速分布、漩涡和水头损失等方面研究进展进行总结;最后,归纳了竖井式进出水口水力特性研究方法,探讨了今后研究应聚焦的主要方向。

侧式进/出水口各孔道流量分配差异及影响因素

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口各孔道流量分配,现有设计规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不宜超过10%,但实际工程设计难以达到此要求.本文以某抽水蓄能电站侧式进/出水口为例,通过优化进/出水口各体型参数,利用数值模拟方法研究各孔道流量等水力参数,重点分析分流墩布置对各孔道流量分配的影响及其规律,试图使进流工况和出流工况相邻中边孔道的流量不均匀程度均最小.研究表明,改变扩散段分流墩布置能有效改善流量不均匀程度.对于3墩4孔侧式进/出水口,相邻中边孔道的流量不均匀程度在出流工况下随中边孔宽度比增大而增大,在进流工况下随中边孔宽度比增大而减小;当中边孔宽度比增大且中墩后移距离减小时,出流工况和进流工况下的流量不均匀程度均减小.对于2墩3孔侧式进/出水口,相邻中边孔道的流量不均匀程度不论在出流工况下还是在进流工况下,均随中边孔宽度比增大呈先减小后增大的规律.优化后的3墩4孔侧式进/出水口的中边孔宽度比取0.228∶0.272,中墩后移距离取0.36D(D为隧洞直径),其相邻中边孔道的流量不均匀程度均较优,在出流工况下为18.47%~19.43%,在进流工况下为19.82%~19.83%;优化后的2墩3孔侧式进/出水口的中边孔宽度比取0.310∶0.345,其相邻中边孔道的流量不均匀程度均较优,在出流工况下为19.47%~19.63%,在进流工况下为18.66%~18.67%.相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足不宜超过10%的设计规范要求.研究成果将有助于《抽水蓄能电站设计规范》中关于进/出水口水力指标要求的完善.

侧式进 出水口顶板扩张角对拦污栅断面流速分布影响规律研究

抽水蓄能电站侧式进出水口双向过流,其顶板扩张角的大小将直接影响拦污栅断面流速分布是否均匀,甚至出现反向流速。抽水蓄能电站设计规范将3°~5°作为侧式进出水口顶板扩张角的推荐范围,其依据是矩形渐扩管阻力系数最小的扩张角度,但侧式进出水口体型较之复杂很多,因此有必要进一步探讨。本文以某侧式进出水口体型为研究对象,采用数值模拟方法,研究了11种角度的顶板扩张角对出流工况和进流工况拦污栅断面流速分布的影响。结果表明:在出流工况下,随着顶板扩张角的增大,中孔拦污栅断面的主流位置由居中部逐渐向底部降低,断面流速分布由上下基本对称趋于底部大上部小的上下不对称,当顶板扩张角较大时中孔拦污栅断面上部出现反向流速;随着顶板扩张角的增大,边孔拦污栅断面流速分布由基本均匀逐渐变为底部大上部小的不均匀分布;随着顶板扩张角的增大,中、边孔孔口流速不均匀系数均逐渐增大,但中孔拦污栅断面流速分布受顶板扩张角影响更大。在进流工况下,随着顶板扩张角的增大,中、边孔拦污栅断面流速分布及孔口流速不均匀系数均无明显影响。研究成果可为优化侧式进出水口设计提供指导。

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。

接立面转弯隧洞的侧式出水口水力特性

对于接立面转弯隧洞的侧式出水口,立面转弯隧洞的转弯段将直接影响侧式出水口的水力特性。若立面转弯隧洞参数设计不合理,极易导致侧式出水口内部发生流动分离。选取RSM紊流模型,针对接立面转弯隧洞的侧式出水口进行数值模拟,探究立面转弯隧洞曲率半径R、弯道后直隧洞长度L及转弯角度α等参数对出水口水力特性的影响规律,并对隧洞内流动过程进行了讨论。增加立面转弯隧洞曲率半径R和弯道后直隧洞长度L能显著改善出水口的水力指标。当曲率半径R≥12 D(D为隧洞直径)、弯道后直隧洞长度L≥16 D时,侧式出水口内部无明显流动分离,拦污栅断面流速分布均匀且无反向流速区。研究成果将对抽水蓄能电站侧式进/出水口的设计提供指导。

平面转弯有压输水隧洞对进/出水口水力特性影响研究

受地形、地质等条件的限制,与抽水蓄能电站侧式进/出水口衔接的输水隧洞会存在平面转弯段.当输水隧洞的平面转弯段距进/出水口较近时,转弯角度、转弯半径R以及转弯后直隧洞长度L等参数对出流工况下进/出水口水力特性有着重要影响.平面转弯输水隧洞转弯段若布置不当,出流工况水流进入进/出水口时可能会出现偏流现象,直接影响进/出水口流量分配,然而目前缺乏平面转弯输水隧洞各参数的设计建议值.以抚宁抽水蓄能电站侧式进/出水口为研究对象,通过数值模拟的方法研究了平面转弯有压输水隧洞对进/出水口出流水力特性的影响并进行了偏流成因分析.结果表明:对于设计合理的进/出水口体型,平面转弯有压输水隧洞转弯段若布置不当,水流在进入转弯段后会形成二次流,导致转弯段后隧洞横断面流速分布不均匀,转弯段外侧流速大于内侧,进/出水口会产生偏流现象,直接影响各孔口流量分配;转弯角度的增加会使各孔口流量分配越不均匀;R和L的增加能有效改善进入进/出水口时的水流条件;当R≥30.0D(D为输水隧洞洞径)同时保证L≥10D时,或L≥40D时,水流进入进/出水口时的偏流现象可以得到有效改善.研究成果可为抽水蓄能电站侧式进/出水口连接隧洞的平面转弯布置提供设计依据.

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。

抽水蓄能电站地下水库建设进展及关键水力学问题

全球废弃矿井数量已超过100万座,到2030年,我国废弃矿井数量将达到1.5万座,如何合理利用废弃矿井地下空间资源成为当今能源环保领域热点议题。可利用废弃矿井的地下巷道、硐室或采空区等废弃空间建设抽水蓄能电站地下水库。但其狭长密闭、纵横交贯的地下空间水域完全不同于常规抽水蓄能电站地表水库的开敞空间水域,抽水蓄能电站建成运行时其地下水库的水力特性将完全不同于地表水库的水力特性。为此,本文分析了抽水蓄能电站地下水库的模式及特点;总结了国内外抽水蓄能电站地下水库建设进展;提出了抽水蓄能电站地下水库的关键水力学问题。研究成果可为科学利用废弃矿井建设抽水蓄能电站地下水库提供指导。

中国狭臀蚤属一新种记述(蚤目,栉眼蚤科)

记述栉眼蚤科Ctenophthalmidae狭臀蚤属Stenischia Jordan,1932的1新种,宁夏狭臀蚤Stenischia ningxiaensis Bai,Lu et Gao,sp.nov.,标本采自宁夏南部地区。模式标本保存于军事科学院军事医学研究院医学昆虫标本馆和宁夏回族自治区疾病预防控制中心。

基于GPU和数据同化的深水湖库水温与溶解氧中短期预报

深水水库通常存在季节性温度分层,由温度分层引起溶解氧等水质指标的分层还会诱发库区水环境水生态问题。当前在中短期时间尺度上对水库水温和溶解氧进行预报的研究相对较少,提高数学模型的模拟效率与精度对提升中短期预报效果至关重要。本文采用集合卡尔曼滤波算法作为同化方法,基于CE-QUAL-W2模型建立水库水动力水质数学模型,基于OpenACC的GPU并行方法提升模型计算效率,构建大黑汀水库水温与溶解氧的数据同化系统,在中短期时间尺度上开展水库水温与溶解氧高精度、高效率预报。预报结果符合水库水温与溶解氧的中短期变化规律,能够为大黑汀水库的供水与生态安全提供技术支撑。

河流系统健康状况评价体系及评价方法

考虑反映河流系统的动力状况、水质状况、河流地貌和生物指标状况、河流服务状况等4个方面,构建了河流系统健康状况评价体系。建立了基于模糊理论的河流健康状况多层次评价模型,给出了相应的评价指标、标准和权重。以海河三岔口河段为例,应用已建的河流系统健康状况模糊综合评价模型,对河流系统的健康状况进行了评价。计算结果表明,该评价体系能定量地从各层次分项指标和总体角度反映河流健康状况,可为河流管理和生态修复工程提供技术支持。

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。

抽水蓄能电站竖井式出水口三维数据模拟

盖板竖井式进 出水口是抽水蓄能电站采用的形式之一 ,出流工况的水力学问题是其难点问题。本文利用三维k ε紊流数学模型 ,针对西龙池抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进 出水口 ,研究了抽水工况出流时竖井扩散段、孔口附近的流动特性 ,探讨孔口底板附近反向流速的成因。

利用多岛遗传算法的侧式进/出水口体型优化研究

水工建筑物体型优化一般通过物理模型试验或数值模拟对设定体型进行水力特性研究,针对不利的水力指标调整体型再进行研究,直至获得满意的较优体型,这是传统的做法。双向水流条件下的侧式进/出水口体型优化可视为多目标优化问题。本文将加权后的水头损失系数定为目标函数,以孔口断面流速不均匀系数和孔口间流量不均匀系数为约束条件,将多目标优化转化为单目标优化,利用多岛遗传算法进行进/出水口体型优化,可以获得最优体型。此外,参数化建模方法和基于CFD的响应面模型的应用,加快了建模与数值模拟速度,提高了优化效率。以某下水库侧式进/出水口为例,按照本文方法得到的推荐体型与原体型相比,进/出流的总水头损失系数降低3.35%,出流时流速不均匀系数减小14.50%,进/出流的流量不均匀系数均小于20%。该研究方法为水工建筑物体型优化提供了便捷的途径。

水电站叠梁门分层取水流动规律及取水效果

对于温度成层型水库,水电站进水口分层取水方式正逐步被采用,目的是尽量取用水库不同层水体,减轻下泄低温水对下游河段环境的负面影响.目前缺乏分层取水流动规律及取水效果的研究.以糯扎渡水电站进水口叠梁门分层取水方案为例,通过数值模拟方法,研究叠梁门分层取水的流动规律,在水库水温分布已知的条件下,探讨叠梁门取水控制下泄水温的效果.研究成果对水电站进水口分层取水设计及运行管理具有重要意义.

不规则波浪数值水槽的造波和阻尼消波

利用MAC（marker and cell）法直接数值求解连续方程和N-S方程.为模拟不规则波长时段连续造波及消除波浪遇结构物后形成的二次反射,采用了源造波法.对开敞边界,采用了海绵阻尼消波和Sommerfeld条件相结合的处理方式.

水库分层取水水温模型试验的相似理论

依据连续性方程、运动方程和能量方程,结合水库分层取水的流动特点,对水库水温模型试验的相似关系进行了理论分析,提出了模型和原型相似应满足的条件,以及模型与原型水温换算关系。依据所提出的模型相似理论,将二滩水电站物理模型试验的所测下泄水温转换成原型数据后,与原型实测资料进行对比,结果表明,两者吻合较好,验证了本文模型相似理论的正确性。研究成果可为开展水库分层取水下泄水温的试验研究提供理论基础。

水电站尾水管水击与尾水调压室涌波联合计算

糯扎渡水电站的最大工作水头为215m,安装了9台机组;其尾水系统采用3台机共用一个调压室和一条尾水隧洞的布置方式,无工程设计经验借鉴,应进行水击和调压室涌浪的研究.为此,采用特征线法,以尾水支洞与调压室连接处的压力为纽带,对该水电站尾水管水击和调压室涌浪进行了联合求解,模拟了典型工况尾水管的水击时间过程和调压室涌浪时间过程,得出了尾水管的最大水击压力和其发生的位置,以及调压室的最低涌浪水位.数值计算结果与试验结果基本吻合.尾水位在最低和正常水位之间变动,突甩负荷时,尾水系统不会产生真空;调压室最低涌浪水位高于设计所要求的最低涌浪水位,说明该尾水系统的设计是合理的.

锆系Laves相储氢合金电极的性能研究

Ｚｒ（Ｖ＿（０．２）Ｍｎ＿（０．２）Ｍｏ＿（０．０６）Ｎｉ＿（０．５４））＿（２．４）合金经ＨＦ溶液处理后，合金表面由富Ｚｒ和富Ｍｎ层转变成富Ｎｉ层，从而使电极初期活化周期明显缩短，电极表面氢吸附性能改善，表面反应电阻减小。本文探讨了上述电极表面反应机理，即表面Ｎｉ的催化、氢吸附和氢转移机理。对阻抗谱进行拟合，给出了相应的电极反应等效电路。

侧式进／出水口水流运动三维数值模拟

采用Realizable k-ε双方程紊流模型对侧式进／出水口水流运动进行数值模拟,研究了体型对进／出水口水头损失和孔口附近流态的影响,指出了扩散段水平扩散角和整流段长度对水头损失和孔口流态的决定作用．最后给出进流工况自由水面随库水位变化情况．计算结果和试验结果基本吻合．