南水北调中线京石段闸门间歇关闭水力响应特性

为减小闸门关闭引发的水位壅高,以南水北调中线工程京石段磁河闸至沙河北闸之间的渠池为研究对象,构建一维明渠非恒定渐变流仿真模型,比较分次间歇关闸与一次连续关闸,以及不同闸门间歇方案对闸前壅水峰值、水力振荡稳定时间的影响。研究表明:分次间歇关闸可带来更低的闸前壅水水位和更短的水力振荡稳定时间;设置1次间歇相较于多次间歇可减小闸前壅水峰值,将间歇开始时刻设置在上游降水波即将传播至闸前的时刻、设置间歇时长略小于关闸总时间的1/2均可有效降低闸前壅水峰值,缩短稳定时间。闸门分次间歇关闭水力响应特性与水波运动规律紧密关联,合理设置间歇有助于在应急调控阶段减少事故造成的影响。

溃坝洪水演进一维水动力模型

中国是受洪水灾害影响最严重的国家之一。洪水数值模型可准确地反映洪水的演进与致灾过程。本研究针对天然河道洪水过程存在的尺度大、水流流态复杂、河道断面形式多变以及计算建模困难等问题,提出一套基于Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程组的一维水动力模型,并采用求解复杂断面水力要素之间关系的方法,提高了一维水动力模型求解的精度与效率,精确地反映了复杂断面河道的水流运动特性。将模型模拟得到的数值解与算例中的解析解或实测数据进行对比,结果表明:(1)构建的一维水动力模型模拟结果与理想算例解析解及实验实测数据吻合程度均较高,所有算例的E NS均大于0.5,说明模型具有良好的稳定性和适应性;(2)将模型应用至金沙江白格堰塞湖溃坝洪水算例中,模拟得到的流量峰值及整体洪水过程均与实测过程吻合较好,在叶巴滩和苏洼龙两个测点处E NS分别为0.633和0.812,证明了模型在实际应用中的适用性与可靠性。结果表明,开发的一维水动力模型对溃坝洪水等水流流态复杂、突发性强的洪水过程具有良好的模拟效果。本研究可为河道及溃坝洪水风险的初步、快速评估等工作提供有效的模拟支撑。

拖担水库扩建工程溢洪洞水力问题研究

拖担水库扩建工程受枢纽区地形、地质条件限制,泄洪建筑物布置有较大的局限性。通过水工模型试验,对泄流能力、水流流态、流速分布、时均压力、脉动压力、空蚀现象和消能效果等水力学特性进行了研究,验证溢洪洞布置、结构体型、泄流能力的合理性,并进行结构优化改进。研究结果表明:溢洪洞布置及结构优化后的泄流能力满足工程泄洪要求,旋流消能率分别为91.41%、88.69%、85.10%,泄流消能充分,优化后的各部位水力学特性满足设计要求,建筑物体型设计合理。

澜沧江流域过鱼设施的应用探讨

澜沧江流域水资源开发对流域内河流的生态系统造成了较大影响,特别是大坝对河流的阻隔作用,直接阻断了鱼类上下行的通道,影响了鱼类的洄游、繁殖与生存。实践证明,修建有效的过鱼设施可帮助鱼类顺利通过大坝来缓解水电工程对生态环境带来的负面影响,有效保护水生物种的多样性,防止土著鱼类的灭绝。通过对澜沧江流域区系特征及鱼类资源的研究,结合水电工程已建过鱼设施对其应用进行探讨。澜沧江干流所建水电站多为高坝,只能考虑高坝过鱼设施,已建过鱼设施包括升鱼机和集运鱼系统。实际运行监测表明,这些高坝过鱼设施的建设一定程度上缓解了大坝阻隔对鱼类多样性的影响;但也存在升鱼机系统机械、电气设备故障率较高,需加强过鱼效果监测和评估等问题。

南水北调中线干渠闸门同步关闭水力响应特性

构建南水北调中线干渠局部一维非恒定渐变流模型,以“刁河闸—湍河闸”渠池为例,测试闸门调控方式和渠道运行条件对闸前壅水峰值水位、达到峰值水位所用时间、水力振荡频率、水力振荡幅度等水力响应特性的影响。研究表明:水力振荡上升过程快,下降过程慢,波幅随时间呈对数函数衰减;闸前壅水峰值水位随闸门关闭速度、闸门关闭幅度、输水流量、运行水位、渠道糙率的减小而近似线性地减小;达到峰值水位所用时间对输水流量、运行水位和糙率变化不敏感,随闸门关闭幅度和输水流量的增加而近似线性减小;水力振荡频率对闸门关闭所用时间、闸门关闭幅度、输水流量和糙率变化不敏感;水力振荡幅度对运行水位、糙率变化不敏感,随输水流量的增大而快速衰减。

非恒定来流过程对复式河道水动力的影响试验研究

非恒定来流过程改变了复式河道水动力特性,进而决定了滩槽的物质传输和能量传递过程。为研究不同非恒定来流过程对复式河道水动力特性的影响,开展室内水槽试验,考虑流量变幅、非恒定周期及涨水历时三个因素,分析不同非恒定来流过程对复式河道水位、水流非恒定性及滩槽单宽流量过程的影响。结果表明,随着流量变幅增加,水位波峰增长斜率大于波谷,波高线性增加,滩槽单宽流量过程均沿时间发生变形,主槽的下降过程和滩地的上升过程存在明显的缓变过程;随着非恒定周期增加,水位波峰增加,波谷降低,波高也呈线性增加,滩槽单宽流量沿时间变形的现象消失;水位波峰波谷与水文偏度同步变化,水文偏度(涨落水历时之比)大于1时,滩槽单宽流量的上升过程也会存在明显的缓变阶段。

溪洛渡水电站坝下游河道非恒定流特性研究

溪洛渡水电站运行时坝下游河道形成的强烈非恒定流将对下游航运产生影响。为保障航运安全,掌握电站运行时下游河道非恒定流特性,以原型观测数据率定物理模型参数,设置不同初始流量、流量变幅、流量变化率,采用物理模型试验深入研究了溪洛渡水电站坝下游15 km长河道的非恒定流特性。结果表明:溪洛渡水电站坝下游河道在非汛期均位于向家坝水电站回水影响范围内,汛期桧溪水位站以上河道水面存在明显比降;溪洛渡水电站坝下游河道水位变化率与下泄流量变化率呈正相关,最大垂线平均流速均与水电站下泄流量呈正相关;水位变化率和最大垂线平均流速变幅对流量变化率的响应更为敏感,受初始恒定流量的影响不大;向家坝水电站运行水位越高,溪洛渡水电站下游河道水位变幅和断面垂线平均流速越小。

非恒定流作用下淹没式矮堰浑水冲刷机理研究

淹没式矮堰是常用的河道整治建筑物。水流经过淹没式矮堰时会在其附近产生冲刷,造成结构失稳或破坏。文章针对非恒定流作用下淹没式矮堰浑水冲刷机理不清问题,开展了一系列水槽试验,揭示了水流非恒定性对淹没式矮堰冲刷发展过程的作用机制,探明了洪峰流量对淹没式矮堰冲刷深度振荡频率的定量影响。试验结果表明:在非恒定流作用下,淹没式矮堰冲刷深度振荡频率先随流量的增加而增大,到达洪峰流量后逐渐减小;淹没式矮堰冲刷深度振荡频率随非恒定流洪峰流量的增加而增大;非恒定流作用下沙波频率要明显大于淹没式矮堰上下游冲刷深度振荡频率;洪峰流量的增大能显著增大沙波频率和淹没式矮堰上下游冲刷深度振荡频率。

河道冰塞的模拟

研究了河道冰塞的模拟,根据冰塞形成发展的机理,提出了描述冰塞形成的发展方程,包括:(1)非恒定流基本方程;(2)水流的热扩散方程;(3)冰花的扩散方程;(4)水面浮冰的输运方程;(5)冰盖和冰块厚度的发展方程;(6)冰塞下冰花含量和冰塞厚度的计算;(7)冰盖的形成发展方程等.为了检验数学模型,利用实测资料,模拟了在1963～1964年冬季松花江流域白山河段冰塞的形成发展过程.

弯道环流流速与泥沙横向输移研究

根据弯道水流特性,分析了断面环流的运动方程,采用普朗特紊流切应力构架建立了横向水流切应力的形式。通过对掺长形式的分析,给出了断面环流横向水流切应力沿垂线表达式,进一步建立了弯道恒定二元环流的横向流速分布公式。经对比分析与资料验证表明,导出的环流流速分布公式结构简单、合理,与资料有较好的拟合性。同时,利用导出的环流流速分布公式,还研究了弯道水流中泥沙的横向输移问题,建立了便于数值模拟的计算模式。

渠道非恒定流水力学响应研究

输水渠道中的水位将随流量的改变而产生波动,且由一种恒定流状态过渡到另一种恒定流状态需要经过一段稳定的时间。这一水力变化过程与渠道自身的结构特性、渠道运行方式的选择和流量变化的幅度、速率有关。通过对渠道中的非恒定流进行数值模拟,对不同情况下渠道的水力学响应进行了研究。

射流泵流场的PIV测量

利用粒子图像速度场仪(PIV)对射流泵渐缩锥形入口、等径直管内有限空间水射流进行测量。该射流泵喉管面积与喷嘴面积之比为4 75,基于射流泵喷嘴直径D和喷嘴出口流速计算的雷诺数为3 68×105。通过流量比在0 20～0 80之间的变化来研究流量比对流场的影响。获得了射流泵对称面流场的速度矢量、轴心速度分布和轴向速度等值线图。结果表明:当射流泵的面积比确定后,射流泵内有限空间射流结构只与射流泵的流量比有关,流量比愈小,其轴心速度衰减得愈快,高速射流区愈短。测量结果为射流泵理论研究和优化设计提供可靠依据。

生产堤溃决后漫滩水流的概化模型试验研究

黄河下游主槽两侧修建的生产堤通常仅能抵御中小洪水,用于保护滩区农田与村庄安全;当遭遇大洪水引发生产堤溃决时,漫滩洪水会严重威胁滩区群众的生命财产安全。当前研究溃堤洪水的传播过程与演进机理多采用数值模拟,而原型观测及模型试验成果十分有限。通过溃堤漫滩洪水的概化模型试验,模拟了生产堤溃决后主槽内的水位变化及不同程度漫滩洪水的传播过程。试验结果表明:(1)溃堤后漫滩水流以涨水波的形式向滩区迅速传播,主槽内水位具有先降低,然后维持稳定,再升高,最后趋于稳定的变化过程,且溃口上、下游水位变化速率不同;滩区水位总体表现为持续升高,最后趋于稳定的趋势。(2)漫滩洪水波的波前到达时间主要与滩区地形及距溃口的距离有关,波前首先以溃口为中心呈近似对称式椭圆形分布,而后转变为非对称分布;溃堤水流在滩区传播过程中伴有水跃发生,水跃发生的位置由距溃口较远处逐渐趋向溃口位置。(3)溃口流量与溃口内外水位差直接相关,呈先减小、然后维持稳定、再减小最后为0的变化特性。研究成果不仅可以提升对溃堤洪水在滩区演进规律的认识,丰富溃堤洪水动力学理论,还可为数学模型验证提供实测资料。

河网非稳态水环境容量研究

基于“河道—节点—河道”法的河网水量水质数学模型具有很高的效率，但到目前为止还没有与此求解方法相对应的河网水环境容量的求解方法，在对河网水质模型进行深入分析的基础上，引入节点污染物质允许进入量的概念，求出河网各河道河段及节点的允许排放量，建立了相应于上述水质模型的求解大型河网非稳态水环境容量的“节点—河道—节点”

含淹没植物河流水流紊动强度最大值及其影响因素

根据含淹没植物河流水流紊动强度与流速和流速分布的关系,建立紊动强度经验公式,并数学推导证明了紊动强度垂向分布最大值的存在。根据实验数据,该紊动强度最大值的大小及出现位置受植物和水流条件的影响:植物的存在增加水流阻力,植物排列密度改变紊动强度最大值的大小;植物叶片的摆动形成水流紊动的主要干扰源,植物/水深相对高度控制紊动强度最大值的出现位置;断面平均流速的变化改变水流的稳定性和植物冠层的高度,对紊动强度最大值的大小和出现位置均有一定影响。

河网水流数值模拟方法研究

讨论了河网概化的一般原则,并在分析单一河段水流数学模型的基础上,建立了可以适用于一般河网体系水流数值计算的数学模型,并采用荆江—洞庭湖的相关资料进行了验证。结果表明,模型的计算值与实测值吻合较好,说明该模型具有较好的适用性。

复杂输水系统水力过渡的数值方法比较及适用性分析

不同数值方法在求解不同复杂输水系统水力过渡问题时,会体现出各自的特点及不同程度的适用性.因此,针对不同的输水方式和水力过渡类型来选择合适的数值方法,既可以保证计算精度,又可以提高计算速度.针对输水系统的无压流、有压流、无压接有压、明满流交替等不同过渡过程,对特征线法和隐式差分法进行了对比,分析了这2种方法的特点,研究和确定了2种方法在不同输水方式和水流状态下的适用性.

南水北调中线干渠闸门调度运行方式探讨

本文选取天津分水口为例,采用建立的南水北调中线电子渠道模型,模拟计算了该分水口分水流量变化时分别采用时序控制和同步控制进行闸门调度时干渠中的水流过渡过程。结果显示,时序控制较同步控制可以大幅度缩短干渠水力过渡时间并减小闸前水位变化幅度,但闸下流量和闸门开度变化幅度较同步控制要大。若采用分水口之间的分水流量进行区间调度以维持渠首流量不变,应用时序控制时可以更进一步缩短干渠水力过渡时间。闸前常水位运行模式下,不管采用哪种调度方式,都会影响到进入惠南庄前池的流量,这要求前池具有一定的调蓄容积以避免水位大幅度的变化,

非恒定流水力模型流量检测控制系统及其特性分析

介绍了由闭环数字化量水堰组成的、用于非恒定流水力模型量测的流量测控系统的组成、工作原理和控制方法,对该系统的动态性能指标和实际应用效果进行了详细分析和讨论,并与电磁流量计、电动执行阀组成的闭环测控系统进行了比较,结果表明,闭环数字化量水堰测控系统的检测精度较高.

超大口径PCCP管道结构安全与质量控制研究

简要介绍了国家"十一五"科技支撑计划项目"南水北调中线工程关键技术研究与应用"课题之一"超大口径PC-CP管道结构安全与质量控制研究"课题研究成果,包括PCCP结构安全性关键技术、超大口径PCCP制造关键技术及质量控制标准、安装关键技术及质量控制标准、PCCP阴极保护成套技术、PCCP管道水力特性参数等。研究工作紧密结合PCCP工程的实际情况,课题取得的成果可应用于PCCP工程建设、管理,对我国PCCP相关规范的制定具有指导意义,对PCCP在我国的应用起到推导作用。