冰期宽浅式渠道无冰盖输水技术及冰水二相流水力调控影响因素研究综述

鉴于在我国北方地区有一类渠道工程多为宽浅式渠道,工程结构未考虑冰盖荷载影响,无法采用冰盖下输水,而合理利用现有渠道,实现其冬季无冰盖输水,是解决这些地区冬季缺水的关键,总结了渠道工程冬季无冰盖输水技术及其特点,并针对其中的冰水二相流输水模式,分析了冰水二相流水力调控的影响因素,对宣传和推广渠道工程冬季无冰盖输水技术能起到一定的积极作用,对开展冰水二相流水力调控技术研究具有参考价值。

冰水二相流渠道流冰输移演变规律及其安全运行措施研究

针对我国新疆、青海地区为数众多且无法采用冰盖下输水的宽浅式渠道工程,开展冰水二相流输运机理及运行调控技术研究,对于解决这些地区冬季用水矛盾、节省工程改造投资具有重要意义。以新疆北部地区某电站引水渠为例,通过构建一维渠道冰水力学数学模型,研究渠道流冰输移和发展规律,分析气温、出库水温、输水流量等关键因素对渠道冰情的影响,并提出冰水二相流渠道的安全运行措施,对实现冰水二相流安全水力调控、解决我国西北地区冬季缺水问题具有一定参考价值。

敞流式冰水二相流水体温度演变规律分析

为进一步探究敞流式冰水二相流水体温度的演变规律,结合新疆某敞流式冰水二相流输水渠工程实例,监测分析了深冬季节3个典型气温条件下渠道沿程水体温度的变化及分布、水面流冰的演变等,并研究了内、外影响因素对水温演变的影响。结果表明,渠道中段水内冰大量集中产生,水体最低温度为-0.25℃,随着水内冰含量的增加,渠道末端水体最低温度回升至-0.12℃以上;气温从-5.0℃下降至-10.4℃,水头损失及潜热对水温的影响幅度由35.9%上升至46.8%,气温为-10.4^-15.5℃时,水头损失及潜热对水温的影响幅度变化不大。

基于主成分与BP神经网络耦合的渠道过冰能力预测

我国北方严寒地区部分渠道由于设计年限久远,在形式和结构上未考虑冰荷载影响,不具备结冰盖冬季输水的条件,只能以冰水二相流的形式输水。对于冰水二相流而言,使冰凌随水流输运,避免流冰在输移过程中停滞、卡堵、堆积,是保证冰期安全输水的关键。桥墩,闸墩等束窄断面是最易出现冰塞的部位。为了完成冬季输水与发电任务,保障社会经济效益,对渠道墩柱断面过冰能力的研究成为亟待解决的问题。为此开展了渠道墩柱断面过冰能力物理模型试验。通过试验数据,对影响过冰能力的水力要素进行主成分分析,进而联合BP神经网络对过冰能力进行预测。结果表明,本次所采用算法较单一BP神经网络预测与非线性拟合所得结果更为精确,对冬季渠道安全输水具有一定的借鉴意义。

基于BP神经网络的渠道墩柱断面过冰能力预测

冰凌问题是寒冷地区渠道冬季输水面临的一个主要问题,预测易出现冰塞的桥墩、闸墩等束窄断面的过冰能力,对冰水二相流安全输水具有重要意义。通过物理模型试验分析墩柱断面的渠道过冰能力,根据试验数据,采用量纲分析与BP神经网络方法,对渠道墩柱断面过冰能力进行预测,预测结果较单一BP神经网络预测和非线性拟合得出的结果更为精确。

渠道墩柱断面过冰能力研究

为避免流冰输移在桥墩、闸墩等束窄断面停滞、卡堵、堆积,通过相关物理模型试验,研究了不同水力条件、不同冰块尺寸和冰量下的墩柱断面过冰能力。研究结果表明:冰块过流能力与弗汝德数Fr成正比,弗汝德数Fr小于临界值,冰块易在墩柱断面前卡堵,弗汝德数Fr超过临界值,过冰能力显著提升;对于中、大尺寸冰块(L/D=0.8、1.0),第一翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为0.879、1.090,第二翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为1.267、1.355;墩柱断面过冰能力与来冰量成反比,来冰量越大,墩柱断面越容易出现卡堵。通过量纲分析建立回归方程,得到渠道墩柱断面过冰能力经验公式▽=1.028(e^(2.28Ft))(L/D)^(-3.567)×100%(0≤▽≤100%),复相关系数为0.973。研究成果对研究冰水二相流安全输水、防治冰塞灾害具有参考价值。

宽浅式渠道水内冰演变数值模拟研究

针对我国西北高纬度地区宽浅式渠道无法通过结冰盖输水的问题,以新疆北疆长距离输水渠道为依托,开展宽浅式渠道水内冰演变输移规律研究,通过构建一维冰水二相流输水模型,分析冰期渠道水内冰时空分布规律,利用部分渠段单日实测资料验证模型的可靠性,最终对全渠段冬季冰期进行模拟,揭示渠道水内冰生成的初始时间及位置,并计算得出水内冰浓度沿时空变化规律,研究成果对保证渠道冬季安全输水具有一定的借鉴意义。

基于水温实测资料的冰期水内冰演变的计算方法

冬季输水渠道水体热量损益大多采用规范规定的热平衡法,但当气象资料缺乏时,难以通过热平衡影响因子来准确计算水与外界的热交换量,往往导致水内冰的计算结果与实际运行工况存在偏差。针对此问题,本文提出基于水温实测资料,考虑时间和空间影响的水温变化规律作为反演水体热量损益计算的求解方法,对水内冰的演变进行计算分析。通过新疆某寒冷地区冬季输水渠道水内冰的计算分析实例表明:日均气温-11℃,计算渠道夜间产冰量3.01~3.69 m^3/s,与采用经验公式法的计算产冰量相差不大,相对误差8%以内,白天几乎不产冰或产冰量很小,计算结果更符合工程的实际运行工况;同时也表明:该计算方法比未考虑时间和空间影响的热平衡因子的计算方法具有更高的计算精度,采用该方法可全天候、全过程地动态实时计算分析渠道冰水二相流水内冰的产生演变及输移。