大型岔管内螺旋流涡带数值分析研究

岔管部件广泛应用于常规水电站、抽水蓄能电站等重要水力发电工程。大型岔管(D主≥6 m)由于岔管外形,肋板结构及内部流态三因素耦合可能导致螺旋流涡带,其对岔管的水力损失具有不可忽略的消极后果。本文基于经典k-ε湍流模型联合考虑实际岔管材料壁面粗糙率,构建了考虑壁面真实粗糙度的钢岔管内部流态k-ε湍流模型。计算结果与实验数据对比验证了本文构建数值模型的有效性及准确性。随后采用导流叶片策略有效消除了大型岔管内的螺旋流涡带现象。研究结果表明:多导流叶片优化方案可有效减少和消除大型岔管中的螺旋流态,并减少岔管水力损失。具体地,对岔管支管路中不同流量工况,优化后的主管路部分流线分布均匀,最大流速位于岔管支管路弯管(内弯)附近;优化后岔管肋板两端涡旋流态基本消除。对岔管支管流量不均匀工况,支管路内螺旋流涡带流态明显减缓,只存在少量螺旋流态。本文研究结果可对岔管水力优化设计及相近研究领域提供一定参考。

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。

基于移动平均滤波的高水头水电站压力钢管应力测试研究

压力钢管作为水电站关键设备之一,其应力状态的准确检测对保障结构安全至关重要。而实际应力测试中,受噪声干扰会影响测试数据的准确度,进而影响对压力钢管的安全评估。为解决该问题,提出一种基于移动滤波技术的数据分析方法,对原始应力测试数据进行分析处理,并用于计算某水电站1号机甩50%负荷、甩100%负荷工况下压力钢管的应力变化。结果表明:该方法具备很好的适用性,能有效减少由噪声引起的波动,恢复了信号的真实特性并保持峰值部分,计算得出的钢管静态应力和动态应力减小,安全裕度提升,对提高压力钢管安全评估准确性具有重要的应用价值。图4幅,表1个。

引调水工程管道管材选择主要因素和常遇问题分析

随着南水北调东、中线一期等重大引调水工程相继建成,跨流域跨区域水网格局逐步形成,一批重要骨干水网工程已落地实施或正在开展前期工作。输水管道是引调水工程的重要组成部分,而管材选择对于工程的性能、质量、安全、运行维护和成本至关重要。文章总结了近年我国水利工程,特别是国家重大水资源配置工程和地方水网等引调水工程的建设成就,深入分析引调水工程中常用的主要管道管材特点和影响管材选择的主要因素,以及管材选择时经常出现的问题,以期对引调水工程中管材选择设计提供参考和指导。

水泵出口蝶阀流场数值模拟及水力参数计算分析

基于Fluent软件采用RNGκ-ε湍流模型对DN600中心蝶阀进行数值分析,分别模拟不同开度、不同流速下管道内压力、速度变化分布,计算得出水头损失、阻力系数、汽蚀系数等关键水力参数与入口流速、阀门开度之间的关系曲线,分析其分布规律。结果表明,泵站稳定运行时蝶阀开度应大于40°,泵站发生事故停泵时蝶阀快关角度应在55.6%以上,该结果可为泵站水力过渡过程分析提供技术支撑。

三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目(最多达100×10^(4))条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明:当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。

姚家平水利枢纽工程钢岔管结构型式选择与CFD研究

结合姚家平水利枢纽工程的总体布置,对主电站引水系统对称Y形和非对称Y形月牙肋钢岔管两种结构型式分别进行了三维有限元应力分析和CFD三维流场计算。计算结果表明:对称岔管两腰部位应力分布均匀,肋板尺寸较小;但在主支锥管相贯线内表面A点附近出现较大的应力集中现象,因此对称岔管满足强度所需的管壁厚度大于非对称岔管。在水力学方面,非对称岔管两支管的水头损失不相等,其中与主管同轴线的直支管水头损失最小,斜支管水头损失最大,但没超过对称岔管的0.358 m,说明从岔管部位水头损失和水流流态上看,非对称岔管也稍优于对称Y形岔管。综合考虑岔管结构和水力学特性以及工程地形等因素,建议姚家平水利枢纽工程中主电站引水发电系统选择非对称Y形岔管布置方案。

高压水道钢筋混凝土夹心钢板衬砌研发与性能验证

针对高压水道中钢筋混凝土衬砌内水外渗以及钢板衬砌易于溃屈问题,研发了一种高压水道钢筋混凝土夹心钢板衬砌,主要由内层钢筋混凝土-钢板-外层钢筋混凝土组成。为验证新型衬砌性能,进行了高内外水交替作用下模型试验,研究衬砌变形受力及荷载分担变化情况。结果表明:外水压力作用下衬砌处于受压状态,各部分荷载分担比较为固定,钢板部分所受压应力仅为1.47 MPa,远低于临界应力20.25 MPa,失稳溃屈的风险极小;内水压力作用下衬砌处于受拉状态,随着内水压力的增加,内层混凝土会先于外层混凝土开裂,未开裂前衬砌各部分荷载分担比基本固定;开裂后混凝土部分分担荷载降低、钢板与围岩所分担荷载增加,钢板所受拉应力为28.01 MPa,远低于其极限强度。相较于传统衬砌,新型衬砌结构在高压水道环境下具有更优越的性能。

塔顶排架结构对进水塔动力响应的影响

进水塔顶部启闭机室通常为排架结构,地震时往往先发生损坏导致水电站无法正常运行。为探索塔顶排架结构对进水塔动力响应的影响,针对某抽水蓄能电站下水库的进水口结构动力响应开展研究。基于双自由度无阻尼简化体系进行理论探索,并采用三维非线性有限元数值模拟方法计算进水塔有、无塔顶排架两种工况的自振特性、位移、加速度、应力、损伤体积比和能量耗散等指标来对比研究。任意时刻的地震反应用时程分析法求解,并引入黏弹性人工边界模拟地基辐射阻尼作用。结果表明,地震时进水塔—排架系统可能会产生鞭梢效应进而减小进水塔的动力响应。塔顶排架使进水塔的自振频率提高约2.10%~3.80%,使塔体关键点最大相对位移的最大值及最大加速度的最大值减小,减幅分别大于23.94%、22.30%。有排架时进水塔的拉应力降低而压应力增大,损伤体积比、塑性耗散能、损伤耗散能最大可减小23.93%以上。塔顶排架结构可以减小进水塔地震动力响应,对进水塔的抗震性能具有积极影响。

南水北调中线渠首前馈控制方案快速计算分析

明渠调水工程中为适时适量的满足下游用水需求,需要提前制定控制方案。前馈控制方案的设计往往较为复杂,且影响因素众多,调度人员难以快速做出决策。基于蓄量补偿法对南水北调中线工程刁河节制闸至十二里河节制闸段作前馈控制,基于蓄量补偿计算结果,分析了初始流量、分水流量与前馈控制时间的关系,构建了单、双变量的前馈控制时间快速计算公式。探究了不同因素对蓄量补偿控制下游水位偏差的影响,得到初始流量、分水流量与下游水位最大偏差之间的函数关系式。针对工程运行中的极端工况,原蓄量补偿控制的下游水位偏差过大的问题,采用二次蓄量补偿规则对渠池进行前馈控制,有效减小了下游水位偏差。

引入积分微分的水轮机调速器最优控制

水轮机调速器的先进控制对水电机组及其互联电力系统安全稳定运行具有重要意义。针对原始线性二次型控制存在静态误差,且难以处理非零状态轨迹跟踪等问题,在水轮机调节系统的微分方程模型中引入转速误差积分和微分两个增广状态变量,构建调节系统增广微分方程组模型,并在此基础上提出一种引入积分微分的调速器最优控制算法。数值仿真表明,所提控制算法较传统PID方法在不同运行工况下均具有更好的综合控制性能,且控制器参数设置简便,对工况变化不敏感,具有较PID算法更好的工况适应性。

阻抗孔位置及直径对含长连接管调压室阻抗特性和三维流场影响研究

含长连接管的调压室可通过在连接管内设置小于其管径的阻抗孔来增强调压室的阻抗特性。为研究长连接内阻抗孔的位置及直径两种因子对此类调压室阻抗特性的影响规律,以水头损失系数和流量系数为优化目标,以位置和直径为优化变量,基于正交优化设计方法和CFD数值模拟软件,计算分析了各组合方案下的调压室阻抗系数和三维流场的变化规律。结果表明,阻抗孔前后水流湍流强度增幅明显,距离连接管两端端部越近,对调压室大井和管道系统内流场影响程度越大;当阻抗孔位于连接管顶部与调压室大井连接处,可最大程度发挥阻抗孔的阻抗效果,以阻抗孔与连接管管径比0.8为例,水头损失系数增幅约30%;连接管直径增大有效降低调压室局部流场压强最值浮动范围;阻抗孔位于靠近连接管顶部且不在大井连接处时,水流流出调压室时连接管及下游隧洞总体湍流强度较小,流场更稳定。

两机一洞尾水调压室阻抗损失系数模型试验研究

水电站引水发电系统中调压室的阻抗损失系数是影响机组过渡过程计算结果的重要因素,目前阻抗损失系数一般在行业规范推荐的范围内进行取值,往往与试验值有所偏差,不利于调压室体型的优化设计。通过采用大比尺的调压室水工模型,对两机一洞型式的水电站阻抗式尾水调压室进行大流量条件下的水力学试验,研究不同水流流态和分流比对调压室阻抗损失系数的影响,分析控制工况下调压室的流入和流出阻抗损失系数,给出了调压室阻抗损失系数与分流比的拟合公式和关系曲线。研究结果填补了两机一洞型式的水电站尾水调压室阻抗损失系数试验的空白,可为此类调压室的水力计算分析提供依据。

驼峰式长距离输水管线单向调压塔水锤防护研究

驼峰式管线作为长输水系统的典型布置方式,中间凸起管段的局部水锤特性及其水锤防护问题复杂。通过驼峰式管线高点下游侧管线坡度与水力坡度的比较分析,阐明了单向调压塔对驼峰式长距离输水管线的防护机理,并推导了单向调压塔设置高度的近似解析公式。进一步基于有压输水管道特征线法,融合单向调压塔和调流阀等水力边界,建立了相应的输水系统水锤分析模型,开展了系统的水锤防护及其优化研究。分析表明,基于建立的单向调压塔设置分析方法,在驼峰式管线合理设置单向调压塔,能够有效实现系统的水锤防护,并可考虑管线布置特性进一步优化,数值计算和理论分析一致;单向调压塔直径和阻抗孔直径是评估单向调压塔水锤防护效果的重要参数,均存在一最优数值解,继续增大单向调压塔直径或阻抗孔直径对改善水锤防护效果作用很小。

平底三通钢岔管与外包混凝土复合结构承载研究

依托罗田水库—铁岗水库引调水工程实际,采用ABAQUS有限元软件对检修车道三梁岔管分别进行了钢岔管单独承载和钢岔管与混凝土联合承载下的三维有限元分析。研究结果表明:①考虑外包混凝土联合承载以后,钢岔管的受力变形显著降低,钢岔管应力分布更为均匀,外包混凝土可以明显改善钢岔管的应力集中现象。②当钢岔管与混凝土完全接触时,钢岔管应力很小,而混凝土承担大部分内水压力,所受拉应力超过了混凝土的抗拉强度,需要大范围配筋。③在钢岔管与外包混凝土之间设置缝隙或垫层后可使得钢岔管承担的内水压力更大,发挥更大的承载作用,同时传递给周围混凝土的内水压力降低,减少配筋量,使岔管结构更加经济安全。

基于水电站拦漂排的自动清污装置研究

目前水电站拦漂排前污物基本依靠人工通过划船或机动船进行清理,强度大且效率低,尤其汛期污物堆积易造成拦漂排断排或翻排,迫切需要一种基于水电站拦漂排的自动清污装置。回转式拦漂排因其结构限制,清理较大污物时效果较差。抓斗式拦漂排虽清污种类多,但工程投资大。自动集污拦漂排利用较低成本可实现自动清污多样化,通过图像识别系统、行走定位装置、集污装置和终端输送装置,结合电气控制系统,实现多模式下对漂浮污物的监测识别、精准定位、自动抓取和集中处理,显著提高了水电站运行的安全性和效率,对于促进水电站的安全运行和可持续发展具有重要意义。

结合正井法施工的水电站调压井和竖井合并布置设计

德尔西水电站通过调整、优化设计方案,将调压井和压力管道竖井合并布置,采用快速正井法施工工艺进行竖井开挖和支护,采用滑模工艺施工衬砌混凝土,有效缩短了压力管道的工期,施工过程顺利,达到了预期目的,取得了良好的工程效益,是一次成功的探索和实践。

一种较高过栅流速下拦污栅的抗振设计研究

以SW水电站进水口拦污栅为研究对象,研究较高过栅流速下拦污栅的振动特性及其影响因素。基于CATIA平台建立了拦污栅及水电站进水口流道模型,采用ANSYSCFX多相流VOF模型分析了流道流场及拦污栅振动特性。结合工程实践,研究较高过栅流速下拦污栅的抗振设计,提出了一种经济可行的较高过栅流速下拦污栅的抗振设计方法及结构。并就避免拦污栅产生较高过栅流速的振动破坏,从土建结构和拦污栅结构两个方面提出了建议。

抽水蓄能电站岔管年效益损失模型

抽水蓄能电站岔管产生的水头损失占比较大,进行岔管体型优化时,如何选择最优体型是一个关键问题。前人通过比较水头损失系数来确定最优体型,然而发电工况与抽水工况水头损失系数最小值对应的体型不一样,无法得到唯一解。为了便于选择岔管的最优体型,通过分析电站经济效益,建立抽水蓄能电站岔管年效益损失模型,并将其应用于岔管导流板体型优化中。结果表明:通过岔管年效益损失模型可得到体型优化的唯一最优解,该模型可行,并且导流板能够减小电站岔管29.75%的年效益损失。年效益损失模型可用于岔管体型优化选型。