水击补气式压力罐及水力瞬变仿真

空气阀常常安装在输水管检修孔侧壁,进气后部分气体就会存留在检修孔上部产生气垫式压力罐的水击防护作用。据此,提出了水击补气式压力罐装置的设计方法,即利用泵站事故断电产生的水击负压现象,通过真空破坏阀或空气阀给压力罐补气,以防止输水管发生液体汽化现象并削减水击最大压力。然后,建立了水击补气式压力罐水力瞬变数值仿真数学模型。最后,以一个实际输水工程为例,计算比较了分别设置空气阀、空气阀调压室及真空破坏阀补气式压力罐时的水击防护效果,结果表明,补气式压力罐水击防护效果最好。

输水管线空气阀进排气孔径的合理选择

输水管线空气阀进排气孔径的选择,包括防水锤型空气阀低压进排气孔、缓冲板小排气孔和高压微量排气孔,不仅影响输水的安全性,而且严重影响工程投资。为了合理选择各种类型空气阀进排气孔径,本文首先提出了气体流量与流量系数、孔径、气压的函数关系,以及输水管液柱弥合水击压力与输水管直径、水击波速和空气阀流量改变量的函数关系;然后,建立了空气阀进排气孔径与输水管线充水和排水流速、负压控制要求及水击压力之间的函数关系,同时考虑了管材刚度和位置高程的影响。最后,分别以重力流输水管线和泵站加压输水管线为例,应用所得理论公式分别计算确定了复合式空气阀和防水锤型空气阀进排气孔孔径,结果表明按照本文公式确定的空气阀进排气孔径,不仅比按照常规经验确定的空气阀孔径小得多,而且可以有效削减输水管的液柱弥合水击压力。

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融是急需研究的问题,对于冬季降雪频繁地区开河预报、冰凌洪水风险分析具有重要的实用价值。基于雪盖和冰盖的热力条件是准稳态假设,建立了冰盖热力增厚和消融速率与雪厚、冰厚、大气传递给雪面的净热通量和水体传递给冰底面净热通量的函数关系,包括:太阳辐射、反射和透射,雪面和大气的长波辐射,雪面蒸发-对流,河床地温等因素。提出了雪面温度和冰盖垂向温度分布的理论公式及冰盖热力增厚和消融发展过程的数值计算模型。最后,以黑龙江漠河段实测的冰情为例,验证了所提冰盖热力增厚和消融数学模型的实用性,并分析了一些重要参数随时间的变化特点。

输水隧洞水温模型

输水隧洞是长距离渠系输水工程的重要组成,北方输水隧洞水温的变化严重影响下游渠道冰情的发展。研究了输水隧洞水体的热交换,包括无压隧洞气体与洞壁和水面的热交换,提出了计算水体热交换的参数化方程和水温模型,并分析有压隧洞和无压隧洞水温的时空变化规律。结果表明:有压和无压隧洞水温均随着时间或者离开隧洞进口距离的增加呈指数规律变化,分别逐渐趋近于一个大于0℃的定值,其大小与围岩恒温层温度、水温及隧洞结构和热力学参数有关。

空气阀水力瞬变数学模型

空气阀是输水管道系统常用的防止水击破坏的智能化安全设备。针对目前空气阀水力瞬变数学模型假设气温T为常数及忽略空气阀高度影响的问题,首先基于等熵流动的气动力学理论,提出了新的空气阀进排气基本方程,然后,把空气阀、配套检修阀和连接管用一个具有自动进排气功能的调压室等效,提出了新的空气阀水力瞬变数学模型及其求解算法。与现有空气阀水力瞬变数学模型相比,在不考虑空气阀高度的条件下,新模型计算的最大水压更大,而负压也更低,这意味着以现有模型计算结果作为设计依据存在安全风险。考虑空气阀高度后,计算的输水管最大水压减小,但是负压也更加严重,因为等效调压室内水体对进排气有阻止延缓作用。此外,以空气阀气体为绝热流动所得计算结果作为设计依据是合理的,偏于安全的,因为在这种情况下计算的最大水压较大而最小水压较小。

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.

南水北调中线冰期输水安全调度分析

分析了南水北调中线黄河以北冬春气温特点,可能发生的冰凌现象及运行原则。提出了防治倒虹吸管冰塞的临界淹没水深,以及在明渠中形成稳定初始冰盖的临界水力学条件,最后研究了开河特点及冰凌灾害的控制方法。

冰下爆破预防冰坝的理论探索及实践

把冰、水、热动力学理论与爆破效果相结合,提出了在冰坝易发点沿深泓线实施冰下爆破形成温度场预防冰坝灾害的理论,包括:爆破时间的选择,爆破孔的布置,爆破效果的估计,温度场水温及下游冰盖下水温的影响长度和冰盖融化速率的计算。黑龙江开江期冰下爆破的实践表明,爆破坑平均直径随炸药量的增加而增加,但在炸药量超过18 kg时,爆破坑平均直径随炸药量的增加变化不大;根据实测单位炸药量破碎的冰盖体积的效果,建议冰下爆破预防冰坝的单孔炸药量应不超过9 kg,包括冰盖厚度超过1 m的情况。

引黄入晋输水工程充水过程的数值模拟及泵站充水泵的选择

本文针对万家寨引黄入晋跨流域输水工程 ,提出了模拟无压隧洞充水过渡过程的“虚拟流动法” ,解决了洞内初始无水条件的计算问题 ,然后通过实例研究了泵站中充水泵容量的选择 。

设置保水堰管涵输水系统的水力瞬变数值仿真

为研究大型调水工程的水力瞬变过程,采用明渠非恒定流方程及Preissiman方法模拟无压管涵非恒定流、有压管涵水击和明满交替流,提出了设置保水堰的长距离管涵输水系统的水力学仿真模型。所建立的数值模型可模拟包括管涵明满交替和保水堰跌水等复杂的水流现象。数值仿真结果表明,在检修闸门和下游管涵之间设置保水堰,可以调节输水管道内的压力,避免紧急启闭时发生液柱分离以及检修闸门突然关闭时因明满流交替而产生强烈的冲击水压。

太阳辐射和地温对冰盖下水温的影响

太阳辐射可以透射穿过雪盖和冰盖与地温一起影响冰下水温的变化,加剧冰盖底部的融解和冲蚀,使得冰盖更易于崩溃开河。基于现有理论和原型观测研究成果,建立了描述太阳辐射在雪盖、冰盖和水体中的透射和吸收规律的数学模型;利用观测数据回归分析的方法,提出了太阳辐射可见光在水体中消光系数的参数化模型;然后研究了冰下水温的变化与太阳辐射和地温的函数关系。研究证实,冰下水温随太阳净辐射和地温的增加而升高,随雪厚和冰厚的增加而下降,并且与水体与冰盖的热交换系数成反比。此外,太阳辐射的透射可能使得开河期冰盖糙率不是减小,而是增大。

南水北调北京段输水系统水力瞬变的控制

根据北京段输水系统工程布置的特点,研究了事故断电条件下水力瞬变引起的液柱分离现象及其防止措施.提出了求解空气阀瞬变过程的新模型.计算研究表明,可以采用沿线布置空气阀和单向调压井防止瞬变液柱分离破坏.通过对沿管线间隔500～1000m布置空气阀的水力瞬变计算研究发现,过大或者过小的空气阀孔径都是不利的,存在一个抑制液柱分离冲击压力或者高度真空的最优的空气阀孔径.对采用单向调压井防止液柱分离的研究表明,南水北调北京段沿线需要布置5座,并提出了合理的设置位置和经济参数.

排水系统入海口新型消能工

通过实体模型试验研究了某排水系统入海口水工建筑物的水力性能,设计提出一种新型的墩栅涡流室消能工。该新型消能工的水力特点是:流出排水隧洞的高速水流大部分通过进口墩栅空隙流入涡流室,小部分在进口墩栅前发生水跃后扎入涡流室中产生强烈的顺时针漩涡,通过水跃、墩栅的阻力和涡流室漩涡的共同作用消能,并将来流的动能转换为势能,之后,涡流室中的大部分水流在重力作用下通过出口墩栅空隙流向下游,其余水流从墩栅顶部溢流。这种新型的墩栅涡流室不仅消能效果良好而且出流均匀,并容许各种杂物如石块、泥沙等自由通过,避免涡流室中发生严重的淤积。

竖井式水平旋流洞含气水流模型相似律

针对竖井水平式旋流洞通气孔模型试验中通气量和掺气水流的含气率在进行原型数据换算中存在的问题,考虑到空气可压缩性,通过对气液两相流基本方程的相似理论研究,导出原模型的力学相似律。在进一步研究竖井水平旋流洞模型相似律的基础上,推导出竖井式水平旋流洞原、模型通气管截面积的换算关系和原、模型含气率分布的换算关系。将所得理论公式应用于公伯峡水电站竖井式水平旋流式泄洪洞模型试验,并为原型观测结果所证实。

调水渠网非恒定流的线性变换求解方法

本文针对调水渠网非恒定流隐式差分,提出了线性变换求解方法。首先通过未知列向量的线性变换求解每条渠道的带型矩阵线性方程组,以确定进出口计算断面水深、流量微增量的函数关系,然后与边界条件联立求解得到它们的解,最后通过一个回代过程计算出渠网各计算断面的水深和流量的微增量。应用这一方法,研究了东深供水工程渠网的非恒定流。本文方法适用于各种渠网,包括简单的一条渠道,串联渠道,树枝状渠网和具有并联和回路的渠网和河网。

管道系统泄漏检测的全频域法

针对长距离管道输水系统的特点,建立了适合各种边界条件的管道水击频域数学模型,并应用拉氏变换原理导出了实测离散函数的频域数学模型。在此基础上,提出完全在频域中检测管道泄漏的新方法,即管道泄漏检测的全频域法。全频域法与之前频域法的差别有两点:一是边界条件不受限制,二是泄漏检测完全在频域中完成,无需求解任何一点的傅里叶逆变换时域函数。最后通过数字算例检验了管道泄漏检测全频域法的可行性。

引渤济锡海水输送工程

引渤济锡海水输送工程是内蒙古锡林郭勒盟恢复草原生态和实施以发展电力和煤化工为主体的褐煤开发战略的基础工程。该工程是从渤海引海水,通过辽宁省的葫芦岛市、朝阳市和内蒙古的赤峰市到锡林浩特,本阶段设计年输海水3.65亿m3。该工程将与锡林格勒盟地区待建的煤化工、海洋化工、生态工程形成新型的循环经济发展产业链。长距离输送海水是一个世界性的新课题。现研究了长距离海水输送的特点,提出了应对海水强腐蚀、海生物附着所引起的污损问题和输送过程中防泄漏和渗漏问题的工程措施,采用一条夹砂玻璃钢管管线结合隧洞和一座在线调节水库的输送海水方案,包括:设9座泵站,设计总扬程1147m海水水头,线路全长607km左右,其中玻璃钢管全长290km,直径3.2km,隧洞全长317km,输海水总成本为4.1元/m左右。引渤济锡海水输送工程的建立,标志着我国海水综合利用进入一个新的历史阶段,工程本身具有下述特点:输送海水流量、距离、扬程综合指标,世界第一;内径3.2m夹砂玻璃钢管是国内目前采用的最大管径的玻璃钢管。此外,引渤济锡海水输送工程的建设不仅能够促进锡林郭勒盟地区经济的持续发展,而且具有下述重大战略意义:一是通过“盐田置换”方式促进环渤海经济区建设;二是为发展制盐工业提供了新的发展模式;三是为我国开发内蒙古、新疆维吾尔自治区巨大的煤炭资源、恢复生态系统提供了一条新的思路。

淮水北调临涣工业园输水工程空气阀的合理配置

淮水北调临涣输水管道工程线路长,线路平坦,考虑充水要求,设计在153个位置安装复合式空气阀,同时希望利用这些空气阀防止瞬变液柱分离。本文通过对1个典型水泵事故断电瞬变工况的数字仿真,研究空气阀参数的影响,包括不同微量排气孔径、高速进排气孔径及高速排气容许压差等。研究表明适当减小空气阀高速进排气孔径对于控制邻近线段的瞬态最小水压是有利的,并且通过大量计算研究,给出全系统空气阀的合理配置。

水电站长输水道管流气泡动力特性研究

本文以水电站瞬变过程中调压室漏空压力钢管中的气液两相流作为研究对象，在模型实验的基础上，探讨了气泡对管道水压变化的影响及其数学描述．由流动的连续性，导出了瞬变过程中计算调压室进气流量的公式；引入了气团质点的新概念，将每一时间步长内进入压力管道的空气视为一个质点；发展了用拉格朗日研究固体质点运动的方法研究气团质点在管道中运动的原理和方法；研究了采用Ｗｙｌｉｅ的自由气体———离散模型计算瞬变压力变化过程．数值计算和模型实验数据的对比表明，本文所发展的数学模型能够较好地描述调压室漏空压力钢管中气液两相流的压力变化过程．

调水工程闸门特性的动态系统辨识

本文研究了调水工程调节闸门(阀门)特性的动态系统辨识原理及方法。提出了闸门特性动态系统辨识的数学模型,通过数学变换将阀门非线性特性数学模型转换为线性模型,然后应用最小二乘法进行系统辨识,以便克服水力测量动态误差的影响。最后利用实测数据验证所提理论和方法的可行性和实用性。