地下泵站进水流道数值模拟与方案优化

以典型地下泵站的进水流道为研究对象,建立数值仿真模型,分析设计方案的水力特性及存在不足,并给出优化方案.研究结果表明:在原方案中,外侧水泵进水管入口中心和圆洞出口中心的连线与来流方向的夹角达到70°,水流大角度偏转,并在进水管入口出现脱流现象,水头损失系数达到2.31~2.44,水泵进水管出口的流速分布均匀度为95.09%~96.80%,速度加权平均角为86.51°~87.41°,原方案的圆洞突扩进入压力罐,然后突缩进入水泵的进水管,且压力罐内无任何导流措施,致使局部流道产生了较大的水头损失;优化方案提出了“集管+岔管”的分流措施,通过2个60°弯头实现水流流向的偏移,平面和垂直方向均没有突扩或突缩结构,水头损失系数减小至0.93~1.07,优化方案不仅改善了流道的水力性能,也避免了开挖、衬砌压力罐.研究结果可为类似地下泵站进水流道设计提供一定依据.

核电厂二次循环冷却水泵房流道水力特性优化研究

二次循环冷却技术是内陆核电建设的关键技术和重点研究方向,泵房流道内良好的水力特性对循环冷却水系统的安全、高效运行至关重要。结合世界首个采用超大型高位收水海水冷却塔二次循环冷却技术的核电项目,开展了循环水泵房流道物理模型试验,模拟分析了流道内流态、水力特性和启停泵过程的水位波动。试验结果表明:采用高位收水冷却塔的二次循环冷却水泵房具有“大取水流量、前池侧向进水、有限容积、高位布置”等特点,在不采取整流措施的条件下,流道内流速分布不均匀,吸水室内偏流严重,吸水喇叭口前存在预旋流,水泵吸水管涡角偏大,影响循环水泵的安全稳定运行。优化方案针对性提出“前池墩栅阵列分水整流+吸水室墩墙联合均流消涡”组合措施,改善了流道和吸水室内流态,满足了循环水泵平顺、均匀进流的要求。此外,根据启停泵水位波动的试验结果,给出了系统充水的最高静水位和启停泵间隔周期建议。研究成果可为后续核电厂二次循环冷却水系统的优化设计提供参考。

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。

泵站从长距离明流隧洞引水的水力过渡过程

泵站从长距离明流隧洞或明渠的中部引水是一种常见的工程布置形式,水力过渡过程计算通常涉及无压、有压输水系统耦合。以典型泵站工程为例,提出了无压、有压输水系统耦合的求解算法,给出了泵站事故断电、正常启动、停机的控制策略和水力特性。无压、有压输水系统可分别采用长、短时间步,假定一个长时间步内的连接处水位恒定,计算有压输水系统的水力瞬变过程,无压输水系统只考虑连接处流量影响。研究工程中的闸门井,不仅是截流元件,还应考虑其调压塔效用。研究成果可为类似工程的水力过渡过程计算提供参考。

基于嵌入式单片机桥式同心分层注水一体化测调监测研究

针对桥式同心分层注水一体化测调监测数据含噪较多,导致最终监测精度较低的问题,提出基于嵌入式单片机的桥式同心分层注水一体化测调监测技术。依据桥式同心分层注水工艺的基本原理,计算分注井的井斜角度,采用嵌入式单片机采集井下监测数据,并引入中值滤波技术对数据进行优化处理,以获取高质量的数据,通过计算测调产出通道的测调极差对测调进行评价,进而实现测调监测。对比实验结果表明,所提方法对于桥式同心分层注水一体化测调具有较高的监测精度。

基于多尺度卷积神经网络的管道泄漏检测模型研究

如何有效检测管道泄漏是节水型社会建设迫切需要解决的关键和热点问题之一。近年来基于深度学习的管道泄漏检测方法发展迅速,本文针对传统单尺度卷积神经网络对泄漏特征提取不充分的问题,提出一种基于多尺度一维卷积神经网络(MS1DCNN)的管道系统泄漏检测模型。该方法利用多个不同卷积尺度的卷积通路并行提取管道泄漏的特征并进行泄漏信息的分类预测。基于经典的管道系统布置,利用瞬变流模型生成管道泄漏工况下的三个水压数据集对模型进行验证,三个数据集分别用于预测管道的泄漏位置、泄漏量和非恒定摩阻系数,对应样本数为39601、3980、4900,并将预测结果与其他深度学习方法和传统的机器学习方法进行对比分析。结果表明:MS1DCNN模型对数据集样本下泄漏位置、泄漏量、非恒定摩阻系数的分类准确率达到99.96%、98.48%、100%,三者平均预测精度比传统一维卷积神经网络(1DCNN)、BP神经网络、支持向量机(SVM)和k近邻算法(KNN)提高0.31%、2%、1.27%、22.8%;MS1DCNN在信噪比为-4~12 dB的噪声环境下各数据集的平均F_(1)分数分别为99.2%、97.02%、100%,三者平均值分别比1DCNN、BP、SVM、KNN模型提高0.61%、2.3%、2.78%、28.59%,证明了MS1DCNN模型的预测性能。本文方法在管道泄漏参数、非恒定摩阻的同步预测方面有一定的潜力。

长江源区年际冰水情变化及其影响因子分析

受限于高寒山区地形、气候和环境条件,目前关于长江源区河流的冰水情研究较少,源区降雨径流年际变化和冰盖分布等规律不明确。为了明晰长江源区水文与水资源现状和冰水情本底,本文收集整理了2006—2018年沱沱河和直门达水文站近十年的降雨、蒸发、径流、水温、气温和冰厚资料,采用统计分析、线性回归、单一因子分析和相关性分析等结合的研究方法,重点揭示了源区河流流量、冰期和冰厚现状、其年际变化特征和主要影响因子。研究表明,源区河流洪峰年际波动范围超50%,洪峰集中在7—9月,非汛期流量仅为汛期流量的1/7,非汛期流量年际波动小于汛期,且直门达站水位流量年际变化幅度小于上游沱沱河站;沱沱河站冰期持续时间7个月,而下游直门达站冰期为5个月,多年平均冰盖厚为0.15 m,造成两站冰情差异的主要原因是源区垂直地形急变引起的高程差;源区降雨量年际波动与年际径流波动一致,蒸发量年际波动仅为降雨量的一半,因此两站流量的年际波动受降雨影响较大。长江源区降雨和气温变化是冰水情变化的主要驱动因子,与源区河流的地形高程密切相关,亟需系统的科考进一步明晰长江源冰水情时空变化规律。

面向山地战术无线侦察的智能反射面反射波束赋形设计

在复杂山地条件下,传统的无线侦察方式面临诸多干扰和困难。对此,提出了一种利用智能反射面在山地侦察中构建反射视距侦察链路以提高链路整体侦察效果的设计方案。具体而言,考虑公平性和整体效率,以最大化加权侦察信噪比和最大化最小侦察信噪比为目标,对反射波束赋形向量进行优化设计。仿真结果表明,所提方案能够显著提升链路侦察效果。

长输水管道充水的气液两相流数值模拟

基于缓慢充水过程中管道内气液两相流的流态及其特性,在一系列合理假定的基础上,推导建立了描述充水过程的气液两相流控制方程,给出模型的求解方法和计算流程。采用南水北调工程北京西四环暗涵充水试验数据对模型进行验证,结果表明,数值模型可用于模拟"V"形复杂管道系统缓慢充水过程中管内水流和通气孔气流的两相变化过程。研究成果对长距离输水工程中通气孔、排气阀等调压设施的设计、选型,及后期管道的安全运行、维护管理等具有重要意义。

基于流态辨识的弧形闸门过流计算

过闸流量的精确计算是实现调水工程闸门自动控制、调度运行系统仿真和工程适时、适量供水的重要前提。在闸后收缩断面为低弗劳德数(约Fr<1.7)的淹没孔流条件下,现有弧形闸门过流计算的经验系数模型和量纲分析模型流量预测误差较大。基于已有试验数据分析,研究提出了闸孔淹没出流的高Fr区和低Fr区的流态辨识参数——综合能耗系数Er,定义为相对开度e/H和潜流比Xr之和,即Er=e/H+Xr,相应的流态辨识方法为:Er<1为高Fr的部分淹没孔流,Er≥1为低Fr的完全淹没孔流。针对闸孔出流的不同流态,即自由孔流、部分淹没孔流和完全淹没孔流,分别建立相应的流量计算模型,采用最小二乘辨识进行模型参数的估计,实例验证表明流态辨识模型整体的预测精度较高,80%预测流量的相对误差|EQ|<±10%,且EQ近似呈正态分布。本文提出的流态辨识方法和计算模型为过闸流量的精确计算提供了新的思路和方法。

黄河宁蒙河段冰情预报决策支持系统的设计与开发

以黄河宁蒙河段为例,在对河段历史冰情变化规律及其影响因素分析的基础上,建立冰情预报数据库,进行数据挖掘,并以地理信息系统(GIS)为平台,以水文学流量演算、热力学、冰水力学等原理为基础,结合相关经验预报模型,建立用实测资料进行参数率定的冰情预报概念性数学模型和人工神经网络模型,初步探讨了集信息查询、模型参数率定、气温预报、冰情预报等功能为一体的冰情预报决策支持系统的设计与开发。

基于表面粗糙度参数的管道当量粗糙度快速评测

管道水力摩阻系数的精确取值是输水工程水力设计的重要前提,当量粗糙度k是计算水力摩阻系数的基础参数,然而传统的水力学试验方法检测k值需耗费较多的人、财、物、时。研究首先对3种不同粗糙度内衬的球墨铸铁管进行水力学性能的试验检测,基于不确定度理论给出合理的k值。在此基础上,采用触针式表面粗糙度仪对管道内壁的表面粗糙度参数进行检测,将检测结果与k值进行比较,结合国外已有试验数据,分析给出工程中管道k值的快速评测方法:当粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤10μm或粗糙度轮廓的最大高度Rz≤50μm时,取样长度为lr=2.5 mm,采用中线制评定所得的Rz≈k,可使用Rz值代表k值对管道的水力性能进行评价。研究成果也可用于生产中管道内涂层加工质量的控制和提高。

管道水力摩阻系数的敏感性分析

管道水力摩阻系数的合理取值是输水工程经济、高效运行的关键,尤其是当前广泛采用的大口径输水管道。然而受内壁粗糙度、管径D、流速V、水温T等诸多因素的影响,水力摩阻系数取值存在较大的不确定性。本文对常用摩阻系数进行了系统的敏感性分析,研究表明:同种管材的海森-威廉系数Ch和曼宁糙率系数n均随管径D增大而增大,并且曼宁糙率n的相对增幅远大于海森-威廉系数Ch,当前设计中忽略管径D对曼宁糙率n的影响是造成部分工程水头损失计算误差较大的原因之一。海森-威廉公式对不同管径的适应性优于谢才-曼宁公式,工程设计如采用谢才-曼宁公式,需考虑管径和流速对曼宁糙率n的影响。上述成果可为管道输水工程的设计、运行和管理提供参考。

管道充水过程气液两相流动力学特性分析

管道充水过程涉及复杂的气液两相瞬变过程,合理分析、评价其两相动力学特性对工程的优化设计、安全运行,以及数值模拟研究具有重要意义。基于量纲分析和相似理论,建立了充水过程的气相模型相似律,认为通气孔排气过程的动力相似律可近似套用重力相似律,据此推导出了管内滞留气囊原、模型的几何比尺关系。将建立的气相模型相似律应用于南水北调北京段西四环暗涵通气孔水工模型试验,分析了充水全过程中两相流各动力学测量参数,得出暗涵合理的充水流量。最后采用定量和定性分析相结合的方法,对管道中滞留气囊对输水能力的影响进行了评价。

GIS技术在引渤济锡海水输送工程选线中的应用

引渤济锡海水输送工程是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,该工程自渤海湾引海水到内蒙古自治区的锡林浩特市,线路全长607km。基于ArcGIS平台,在综合考虑地形、地质、宗地利用等多种影响因素的前提下,利用三维空间建模及栅格分析技术,通过对各影响因素设定不同的权重组合生成多条备选输水线路,并利用遥感图像,结合人工辅助决策,在三维视景环境中对所选线路进行比对、优化,选出符合工程实际的最优输水路线,提高选线的效率。

神经网络理论在黄河宁蒙河段冰情预报中的应用

本文研究了以神经网络理论为核心的黄河上游宁蒙河段冰情预报.通过分析河流冰情特点,开发出了用Levenberg-Marquart算法改进传统BP神经网络理论进行冰情预报的数学模型,适用于流凌、封河、开河、水温、流凌密度、冰塞、冰坝等的预报.把该模型应用到2004～2005年冰情预报中,提前预报出2004～2005年冰情发生情况,具有良好效果.理论分析和实例论证都表明该神经网络模型能够进行宁蒙河段冰情预报.

基于聚类分析法的电力系统负荷建模

提出一种基于聚类分析的负荷建模方法,通过求取变电站实测数据的PSQ、PSF、SPRSQ三个指标,确定数据分类的最优分类数,对数据进行聚类分析,分别建立不同的负荷模型。仿真结果表明,本文方法不仅能够描述短路时电动机负荷向系统倒送无功的现象,还能反映故障清除后负荷节点中感应电动机对电压恢复的影响。

河道糙率和桥墩壅水对宽浅河道行洪能力影响的研究

为研究宽浅型河道糙率和桥墩壅水对行洪能力的影响,本研究采用了物理模型试验、数值模拟和经验公式方法分别模拟其水力特性并进行比较分析。通过物理模型试验给出了河道糙率的模拟方法,分别采用4种材料模拟河道护坡:无植被、稀疏植被、稀疏植被中间种植灌木和密集植被。其中,糙率最大的密集植被和糙率最小的无植被护坡条件下各断面水位差均值为0.03 m。结果表明:对于宽浅河道,护坡糙率较大范围的变化对河道行洪能力影响不显著。复杂边界条件和水力条件下桥墩壅水模拟结果表明:二维数学模型比经验公式和一维数学模型能较真实地反映河道边界条件、桥梁长度、桥墩形状对桥墩壅水高度的影响,模拟结果同物理模型试验值较为接近。本研究为宽浅河道安全行洪中糙率评估和桥墩壅水计算提供可靠的参数和依据。

河渠冰水力学研究进展和趋势

从河渠冰水力学基本理论7个方面(水热循环机理、流冰形成输移扩散机理、锚冰岸冰形成发展释放、封河冰塞机理、开河冰坝机理、水工建筑物冰塞机理、水冰沙互馈作用机理)、河渠冰情预测预报及过程模拟、河冰关键参数观测技术与装备等层面介绍了国内外的河冰水力学研究的主要进展和动向,剖析了当前科学研究和工程应用研究中存在的难题,并从理论和技术角度阐明了相关原因并指出方向.总结提出了河渠冰水力学未来需要重点开展的研究,如在河渠冰水力学基本理论拓展方面,应进一步完善现有河冰理论框架,尤其是河流锚冰生长和释放过程、卡冰和初始冰盖形成的热力-动力-地形特征影响的定量化机制、复式断面冰盖下水力特性和河冰运动与岸滩侵蚀过程中的水冰沙耦合作用机理等;在变化环境下的冰情预报方面,应多尺度结合,进一步探索中长期气候变化或短期极端情况对北方河流冰情的影响,尤其是研发不同尺度区域、长短期结合的水文-水力预测预报模型技术,对于科学研判河流冰情未来情势具有指导意义;在冰凌灾害全过程监测与防控技术装备方面,应进一步研发能反映冰塞内部渗流、冰塞内摩擦力以及冰塞冰坝内部反映其演化过程的关键监测传感器和装备,弥补现有观测的不足;在冰湖溃决模拟等方面,应加大观测力度并多学科交叉,注重开展低温条件下冰湖溃口演化的机理试验探索,尤其是研究水流冲蚀溃口冰碛土下切和坍塌过程等.

公伯峡水电站旋流泄洪洞研究总结

中国首次建成的公伯峡水电站旋流泄洪洞已通过了原型观测和专家会议验收。就此,对该泄洪洞的试验研究进行了总结,重点说明3个问题:①公伯峡水电站为什么采用旋流泄洪洞;②旋流泄洪洞存在的水力学问题及解决办法;③怎样优化设计旋流泄洪洞,并提出旋流泄洪洞设计方法,可供设计科研参考。