梯级水电站建设联合运行抽水蓄能泵/电站的研究

联合运行抽水蓄能泵/电站是结合已建常规梯级水电站进行扩建,利用两个相邻梯级的水库分别作为上库和下库,在上库大坝两岸新建输水系统和地下厂房并安装水泵或可逆式水泵水轮机的联合运行体。电网负荷低谷时用泵或水泵水轮机泵工况运行把下库水抽到上库储能;电网负荷高峰时用上库水电站已安装的常规机组发电。这种联合运行方式可使坝址处全年径流量在通过常规机组发电时因提高发电水头而带来增发电量,称为年径流量水头效益。这部分增发电量不仅补偿了抽水蓄能过程中的电量损耗,甚至可大于泵工况的抽水用电量,产生了抽水蓄能综合电能转换率大于1的效果。本文首先通过对比分析联运抽蓄泵/电站和典型抽蓄电站之间运行模式的不同,阐述了联运抽蓄泵/电站大幅提高综合转换效率的机理;其次根据已建成的工程实例,分析总结出开发建设条件、消纳绿色能源的优势、水风光蓄互补系统中的作用及经济效益等要素,同时指出了目前建设联合运行抽水蓄能泵/电站存在的问题并提出了解决相关问题的措施与建议;最后从我国资源禀赋角度,阐述联运抽蓄泵/电站对所在流域的水资源利用的积极意义。本研究可为我国常规梯级水电站与未来新型水风光蓄互补系统的有机结合提供指导与借鉴。

含硫铜矿尾矿料的工程力学特性试验研究

我国尾矿料的分布范围广,尾矿库库容需求巨大。尾矿料的物理力学性质受矿物类型、生产处理工艺、堆积条件及外部环境等因素影响很大,正确认识尾矿料的物理力学性质、科学选用相关指标是尾矿库设计和施工过程中的关键步骤。以我国西北某在建铜矿尾矿库为例,通过对高硫和低硫两种尾矿料进行化学分析和材料性质试验,得到两种尾矿料的比重、渗透系数、强度、固结系数等物理力学性质指标;并分析比较毛细饱和法和饱和土膏法两种制样方法对尾矿料渗透及强度特性的影响。结果表明,烘干、煮沸等试验处理手段会对尾矿的化学成分产生一定的影响;与毛细饱和方法相比,采用饱和土膏法测得的渗透系数低2~5倍,而抗剪强度平均高出25%,验证了制样方法对材料试验结果的影响。试验结果为尾矿坝的设计及其稳定性评价提供基础数据,也为研究尾矿料的工程力学特性等提供了详实资料。

南水北调工程对衡水湖水环境的影响预测

利用2003年衡水湖水体溶解氧和氨氮浓度的实测数据对环境流体动力学模型EFDC的计算结果进行的验证结果表明,EFDC模型可以应用于衡水湖的水环境模拟。该模型预测南水北调工程对衡水湖水环境影响的结果表明,水温受水深、大气温度和调水温度的影响,而溶解氧浓度主要受水温影响;调水期不同的调水方式对湖内的污染物浓度变化有一定影响,调水结束后扩散作用使湖内的污染物浓度趋于一致。为了能够容纳南水北调来水,增容势在必行。建议将衡水湖挖深,这样既可扩充湖的容量,也可将污染物含量高的底泥挖除,使水质不易变坏。

泥沙落淤对输水工程中淡水壳菜污损的抑制作用

淡水壳菜(Limnoperna fortunei),学名沼蛤,是原产于我国南方自然水体中的滤食性淡水贻贝。其幼虫随水流进入输水工程,在结构表面聚团附着,形成生物污损,破坏混凝土壁面,增加输水阻力,甚至堵塞管道,死亡贝体会造成水质污染。基于深圳市东江水源工程中淡水壳菜生物污损的工程背景,利用工程停水检修期,对输水管线系统中淡水壳菜的附着情况进行了调查。结合工程取水水源河流中淡水壳菜在自然栖息地中的附着调查及监测试验,分析了泥沙落淤对淡水壳菜附着密度的影响。对输水管线调查的结果表明:在水流流速及结构型式相似的管段,淡水壳菜附着密度与结构面上泥沙落淤显著相关。在泥沙大量落淤的结构面上,淡水壳菜的附着密度极低,且死亡率极大;在泥沙不易落淤的附着面上淡水壳菜的附着密度远高于受泥沙落淤影响的附着面。对水源河流的调查与监测试验也表明:自然栖息地中,泥沙落淤也会抑制淡水壳菜的附着。当附着面上泥沙落淤量增加5倍时,淡水壳菜附着密度可降低80%。据此,可提出利用泥沙落淤抑制输水工程中淡水壳菜污损的防治思路。

梯级水光互补系统最大化可消纳电量期望短期优化调度模型

充分发挥流域梯级水电的调节作用,实现梯级水光系统的互补联合发电是促进清洁能源消纳的重要途径。文中考虑光伏出力不确定性,以整体可消纳电量期望最大为目标,提出了梯级水光互补系统的短期优化调度模型。该模型以机组为最小调度单位,精细化建模了电站约束、机组约束以及电网约束,通过梯级负荷在电站和时段间的合理调配,挖掘梯级水电的电网供电支撑和光伏互补协调双重作用,提升互补系统整体消纳水平。模型求解方面,采用分段线性逼近、引入0-1整数变量、发电水头离散等线性化方法和建模技巧处理模型中的非线性约束,将原模型转换为混合整数线性规划问题,并在Java环境中采用CPLEX工具实现求解。最后,以参考中国西南地区某流域梯级的4个水电站15台机组以及2个光伏群构建的互补系统为例,验证了所提模型和求解方法的有效性。

西藏可再生能源开发适宜度评价

以西藏太阳能、风能、水能三大可再生能源为研究对象,运用空间多准则决策法,选取能源资源禀赋、地形地貌、道路交通和土地利用等相关的评价准则与指标,对西藏可再生能源开发适宜度的时空分布进行评估。结果表明:西藏约80%的区域全年可开发三大可再生能源;藏西北适宜太阳能、风光互补开发,藏东南适宜水能、水光互补开发,全区几乎无可进行风水互补和风光水互补开发的区域。

基于CFD数值模拟泵站多机组运行性能分析

本文对宁夏银川黄沙古渡泵站多机组运行时的机组性能进行数值模拟,分析了不同机组数运行下的机组性能,研究结果表明:在多机组并行运行时,不同机组进口流速分布差别不大,额定流量工况下进口速度呈现非对称分布,大流量工况下进口流速均匀度明显提高,近似对称分布。大流量工况水泵出水管均存在大尺度的回流,额定流量工况只有少数机组出水管内存在大尺度回流。三台机组同时运行时机组的扬程小于两台机组运行时的扬程,说明开机数量越多,不同机组之间的水流流动相互干扰越大,相比于两台机组开机运行时,三台机组运行时机组的水力性能会降低。本文研究结果为泵站多机组并行运行时的运行控制提供理论指导,具有重要的学术意义和工程价值。

水平管道过冷沸腾换热的非稳态数值计算

为研究循环式冷却系中涉及的过冷沸腾流动传热特性,基于VOF多相流模型和Lee相变模型对一水平管道中的过冷流动沸腾过程进行非稳态数值计算。考虑到沸腾起始点的影响,在Lee模型的基础上引入Bergles提出的沸腾起始点关联式以对其进行修正。从热边界层发展和沸腾阶段的发展两方面分析水平管道过冷沸腾换热过程中的流动换热特性及其波动规律,总结了不同热流密度工况下相关参数的分布关系以及对流换热系数沿流动方向的分布规律。结果表明:热边界层的发展和沸腾不断加剧使得流场的不稳定性增加,加热区域后部对流换热系数的波动幅值是入口附近的2倍;热流密度的增加使得流动和换热参数沿流动方向的变化速度加快,热流密度为250 kW/m^(2)工况下,热边界层发展所影响区域约为150 kW/m^(2)工况下的60%;热边界层的发展使得加热段前部的对流换热系数呈现前高后低的特点。当受热区域热流密度较大时,换热设备可以通过减小换热通道长度的方式,在提升换热效率同时减小沸腾带来的换热系数波动的影响。

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。

多孔介质中非水相流体运移的数值模拟

针对多孔介质中水、气和非水相流体(NAPLs)的多相流动特点,建立了非水相流体(NAPLs)污染物迁移模型,分析了非水相流体在土壤非饱和区和地下水系统中的运移规律。通过有限元数值解对轻非水相流体和重非水相流体在土壤系统中的迁移过程进行模拟,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。计算结果表明,数值模拟方法能够合理地描述非水相流体的运移过程和污染特征。土体渗透性和污染物残余饱和度是其重要影响因素。

加筋土计算中等效附加应力法的改进

等效附加应力法的基本思路是把加筋土中筋的作用等效成外力加在土骨架上,取加筋土中的土体进行计算。这种方法能够适用于纤维加筋、分层加筋和土钉墙等不同情况,且能够克服一般复合材料方法中复合材料本构模型难以建立,和把筋土分开考虑的方法中接触面单元过多的弊病。但以前的等效附加应力法需要迭代计算,这给有限元编程带来困难,而且不利于已有程序的改编。对等效附加应力法进行改进,只要在原有土的弹性矩阵或弹塑性矩阵中加上一个附加矩阵就可以直接求解。这就使得不需要迭代就可以直接应用等效附加应力法进行加筋土计算,大大简化了编程难度,改进方法的提出有助于等效附加应力法的推广应用。

水泵吸水池内部流场数值模拟和试验研究

水泵吸水池内的流动情况非常复杂,尤其在进水口附近存在很强的旋涡,并且会导致空化、振动现象的产生,从而降低泵站效率,因此研究水泵吸水池进口处流场分布状况具有很重要的意义。本文采用三维定常VOF两相流动模型,对进水口前的流态,尤其是空气吸入涡的流态进行数值模拟,并利用2D-PIV系统对进水口前流态进行测量从而对数值模拟进行验证。数值模拟结果和试验结果的对比表明,内部流场的模拟结果也与试验数据吻合较好,该模型能够很好的模拟吸水池的内部流动状况。

非淹没丁坝绕流的三维大涡模拟研究

采用动态亚格子模式和浸没边界法,对宽浅槽道中的丁坝群绕流的水动力学特性进行了三维大涡模拟研究.利用丁坝绕流,试验中采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)测量的试验中自由水面处的时间平均流速和湍动强度数据对模型进行率定,结果表明计算结果与试验数据吻合良好.丁坝长度与丁坝之间距离的比值L/D对丁坝周围的水流流动形式、湍流强度、涡量分布有显著影响.在L保持不变并且L/D较大时,丁坝之间的距离D较小,这限制了混合层的发展,因此混合层中的湍动强度和涡量都较小;同时丁坝之间的回流区的流线形式也发生明显变化.此外,还给出了涡体在丁坝坝头附近产生,发展并向下游输运的动态过程.

堆石体修正Rowe剪胀方程与南水模型

在分析堆石体三轴试验成果的基础上,探讨了堆石体的体积变形特性,提出了形式简洁的堆石体修正Rowe剪胀方程。将所建立的修正Rowe剪胀方程引入到沈珠江院士提出的"南水模型",克服了该模型由于采用体变–轴向应变抛物线假设所带来的一些缺陷。应用堆石体常规三轴试验和典型复杂应力路径三轴试验成果对修正后模型的合理性进行了验证。

明渠中悬移质的弥散-对流方程及悬浮机理

悬移质泥沙通常构成冲积河流总输沙量的主体,研究悬移质的悬浮机理具有重要的意义.以双流体模型为基础,通过引入弥散速度的概念,建立了悬移质泥沙的输沙方程以及泥沙扩散系数的本构关系.应用该方程分析了二维明渠均匀流中悬移质泥沙浓度垂向分布规律,并与Einstein和Chien的泥沙浓度实验资料及经典扩散理论进行了对比.以此为基础,分析了紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力对泥沙悬浮的影响在垂向上的变化,以及浓度、粒径等对这些因素的影响.结果表明,泥沙颗粒在明渠紊流中的扩散是浑水的紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力3部分不同机制共同作用的结果,把泥沙颗粒的悬浮简单归因于水流的紊动是不全面的.

黄河流域泥沙矿物成分与分布规律

黄河及其干支流经常产生高含沙水流,泥沙中矿物的成分及含量是影响高含沙水流性质的主导因素,粘土矿物颗粒含量对高含沙水流流变性质的影响,远大于颗粒粒径大小对流变性质的影响,粘土颗粒和阳离子之间的相互作用对高含沙水流的流变性质也有非常大的影响。通过对黄河及其支流地区12个地点进行采样分析,得出黄河及其支流地区泥沙基本来源于同一地区,次生矿物是在长期的、相同的环境条件作用下形成的。根据泥沙样本的粒径分布曲线和矿物成分及含量,建立了黄河及其支流泥沙粘土、非粘土矿物含量与中值粒径之间的关系,能够更方便、快捷、廉价地估算黄河及其支流粘土矿物的含量。

铁矿尾矿料力学特性及坝体变形稳定性研究

尾矿料矿物成分复杂,物理力学特性区域差异性大。本文以西南地区某铁矿拟建尾矿库为研究对象,对粗、细两种尾矿料进行了系统的物理力学特性试验,获得了粗细尾矿料物理力学指标并应用到尾矿库坝数值分析,分析了该尾矿库坝的应力变形特性,对不同堆积高程、不同工况下尾矿库坝的安全稳定性进行计算分析。此外采用拟静力法对地震荷载作用下尾矿坝的稳定性进行分析。结果表明,粗尾矿料会呈现出剪胀和软化力学特性,而细尾矿料则无明显剪胀;尾矿坝坝体内以压应力为主,坝体表面出现小范围拉应力区;高堆积高程,坝体倾向于发生深层滑动,坝体最小安全稳定性系数较大;干滩长度增大明显提高坝体稳定性;最后对该尾矿库的安全运行提出了一些针对性措施及建议。

土坝裂缝开展的无单元法数值模拟

结合压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型和弥散裂缝理论,提出了点插值无单元法模拟土石坝坝体裂缝开展过程的数值计算方法。当压实黏土达到其抗拉强度后,在每个积分点建立各向异性刚度矩阵,并构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂的无单元与有限元耦合的计算模式。开发的结点自动加密技术对坝体的拉应力区域进行自动结点加密,并根据可视准则确定无单元结点的影响域。以最小结点间距为开裂步长,通过对坝体裂缝离心模型试验的模拟计算,检验了脆性断裂模型和无单元算法对土体拉伸裂缝发展过程的适用性。

填埋场防渗垫层服役性能数值模型研究

防渗垫层是卫生填埋场的有机组成部分,是阻止渗滤液污染物运移扩散的重要屏障。针对中国填埋场中常用的4种典型单层衬垫结构形式,选用渗漏量、溶质通量及吸附量作为评价指标,建立数值模型对垫层的防污性能进行对比研究。选择镉离子和苯作为填埋场渗滤液中重金属离子和有机污染物的典型代表。结果表明复合衬垫对重金属离子的防污性能显著优于单层压实黏土衬垫;在低渗滤液水头条件下,土工聚合膨润土(GCL)复合衬垫与压实黏土复合衬垫的防污性能接近,但随着渗滤液水头的增大,土工聚合膨润土复合衬垫的防污性能显著优于压实黏土复合衬垫。对有机污染物,综合考虑其通过完整土工膜的弥散过程及通过土工膜缺陷的渗漏过程,结果表明复合衬垫的最主要通道,衬垫底部有机物通量要比重金属离子通量大1～5个量级,土工聚合膨润土复合衬垫对有机物的防污性能最差。渗漏量、溶质通量及吸附量等指标能对大范围、长服役周期内垫层的防污性能做出科学合理的评价,相关结果能为防渗材料的比选及衬垫结构的设计及优化提供参考。

轴流式水轮机摆度对压力脉动的影响

水轮机组运行中过大的振动摆度将导致轴瓦温度过高以及上、下机架和机组本身疲劳破坏,甚至导致机组的共振,将对机组的稳定运行造成很大的影响．本文以大型轴流转桨式水轮机为研究对象,在实际运行中该机组主轴的摆度在0．15～0．35 mm之间．本论文通过对轴流转桨式水轮机全流道三维非定常湍流计算,主要预测了转轮后、尾水管进口及尾水管内等几个位置在未考虑主轴摆度、主轴摆度分别为0．2 mm和0．3 mm情况下的压力脉动,对以上三种情况下产生的压力脉动结果进行了比较和分析,从而探讨了轴流式水轮机主轴摆度对压力脉动的影响。