王明疆[1]2015年在《明满流尾水系统水电站水轮机调节系统暂态特性研究》文中认为深入地研究水电站中尾水明渠和变顶高尾水洞的工作特性,并通过对它们的合理使用,达到取代或者缩小尾水调压室、满足水电站调节保证和机组稳定运行的要求,对工程以及科学技术进步都有明显的积极作用。本文从这两类尾水系统水力特性中最显着的特点(即暂态过程中尾水系统会产生明满流现象)出发,针对其水轮机调节系统,以如下2个关注点为目标：(1)水电站设计阶段：从理论分析的角度,揭示明满流尾水系统水电站水轮机调节系统的暂态特性(稳定性与调节品质),为尾水明渠、变顶高尾水洞的设计及二者与尾水调压室的布置优化与联合运行提供理论依据；(2)水电站调试运行阶段：从数值仿真的角度,揭示明满流尾水系统水电站在水轮机调节系统控制下进行的调试试验(负荷调整试验、甩负荷试验)所展示的物理现象,完善其反演分析理论与方法,深入地了解变顶高尾水洞水力特性对机组运行影响,验证设计方案的合理性、数值仿真手段的可靠性。论文的主要内容包括以下3个方面：1明渠尾水系统水电站水轮机调节系统暂态特性研究提出了将有压管道与明渠非恒定流的控制方程进行分段线性化离散、以空间状态方程的形式写出指定断面输入量与输出量的响应关系的方法,将有压与明渠状态方程耦合,解决了明渠系统断面间水头和流量难于直接关联的难题。依据明渠尾水系统的空间状态方程,与其他子系统模型联合,得到用于稳定性和调节品质分析的动力系统模型,并重点分析了明渠尾水系统中水位波动对水轮机调节系统稳定性和调节品质的影响。结果表明：(1)本文提出的将有压流水击方程与明渠圣维南方程统一的弹性水击线性模型可以作为水系统子模型用来进行明渠尾水系统水电站水轮机调节系统的暂态特性理论分析。(2)无尾水调压室的水电站,尾水明渠对水轮机调节系统稳定性的影响很小；设尾水调压室的电站,尾水明渠的长度和水深均对水轮机调节系统的稳定性有较大的影响,且存在明渠长度的临界值,在其两侧,明渠长度对稳定域的作用相反。(3)无尾水调压室的水电站,尾水明渠对小波动的影响基本可以忽略；尾水明渠通过影响尾水调压室的水位波动影响小波动的调节品质,明渠的长度是主要因素,存在某一特定的明渠长度使得调压室水位波动衰减较快,有利于提高调节品质。2变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统暂态特性研究首次将Hopf分岔理论应用到变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统的稳定性研究,成功解决了因变顶高尾水洞明满流分界面来回运动而带来的水轮机调节系统非线性问题,及由此带来的系统的稳定性难于理论分析的问题。首先建立了包含准确描述变顶高尾水洞明满流分界面运动特性的改进引水系统动力方程在内的水轮机调节系统非线性数学模型,然后阐释了Hopf分岔方法在该特殊非线性系统上的应用流程,同时揭示了变顶高尾水洞的稳定性工作原理、相关因素对稳定性的影响。结果表明：(1)变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统的Hopf分岔是超临界的。(2)变顶高尾水洞水流惯性变化在机组减负荷时对系统的稳定性有利、增负荷时对系统的稳定性不利；明流段水位波动的作用对于系统的稳定性在增、减负荷下都是有利的。(3)负荷阶跃值相同时,负扰下的系统稳定域大于正扰；矩形、城门洞型和圆型叁种断面中,圆形断面对系统的稳定性最有利、矩形断面最不利；随着尾水洞内水深的增大,负扰下系统的稳定域逐渐减小,正扰下系统的稳定域逐渐增大。3变顶高尾水洞水电站暂态过程反演分析针对变顶高尾水洞水电站,完善了该类电站的反演分析计算理论与方法,并依托某已建水电站,建立了反演分析的数学模型,对调试阶段的甩负荷试验工况和负荷调整试验工况进行了完整的反演计算与分析。结果表明：(1)本文反演计算所用的数学模型与模拟手段能够较准确合理的反映真实电站的暂态过程,是可行的。(2)经过反演分析的验证,算例电站在甩负荷与负荷调整暂态过程中的机组调节保证参数、水轮机调节系统的稳定性与调节品质均满足要求,说明该电站在理论分析、数值模拟及模型试验等的一系列论证下开展的设计是正确的、合理的。(3)本文的反演分析流程可作为标准流程用于其他同类水电站的反演分析。(4)本文的反演分析理论与方法,与理论分析、数值仿真和模型试验一起构成了变顶高理论与应用关键技术研究的四种手段,四者相辅相成、缺一不可,共同推进变顶高理论的基础研究与应用推广。
郑双凌[2]2004年在《水电站尾水系统数值模拟及试验研究》文中研究说明随着地下工程技术的不断发展,越来越多的水电站采用了地下厂房方案。而在采用首部式开发时,长尾水隧洞是地下厂房枢纽中不可缺少的组成部分。对于尾水系统,单管单机的布置方式比较成熟,尾水岔管的布置方式目前在大型电站中用的较多,如小浪底、向家坝、百色等,因而研究其在有尾水调压井和无尾水调压井的情况下的过渡过程,很有实用意义。根据各电站的实际情况,可以利用变顶高尾水洞代替尾水调压室,随着下游水位变化和电站负荷变化,尾水主洞中有可能产生明满交替水流的情况,这也是工程中十分关心的问题之一。有压非恒定流和明渠非恒定流的基本方程是水电站水力过渡过程的基本理论。本文对有压和明渠非恒定流的基本方程及尾水调压室的相关内容作了介绍和总结。对常用的特征线法进行了适当改进,用FORTRAN编写了适于多机共用一室一洞的长尾水系统的电算程序,可计算水锤变化、机组转速变化及调压室水位波动等,研究了水电站多机共用一室一洞的尾水系统水力动态特性。本文基于百色水利枢纽的模型试验,通过不同工况下尾水管处脉动压力的测量,对尾水管脉动压力进行了研究,对于作为水轮机能量恢复装置的尾水管,还比较了两种不同设计方案的优劣。对于多机共用一室一洞的长尾水系统,其规模巨大,技术难度高,水流性态的优劣直接关系到发电效益的大小和工程的安全可靠性,对设计方案的选择起着关键作用。本文通过模型试验,对多种工况的过渡过程进行了试验,并把试验与计算结果进行了比较。文章最后对变顶高尾水洞进行了介绍,总结了明满交替流的水力特征,介绍了明满流常用数值分析方法,以百色水利枢纽工程为例,进行了模型试验和初步分析,指出了产生明满流的临界尾水位。
肖惠民[3]2005年在《基于计算流体动力学的水轮机及水电站尾水系统数值研究》文中进行了进一步梳理随着计算流体动力学(CFD)的进步和计算机硬件性能的不断提高,叁维紊流的数值模拟越来越精确,在水电站的设计、优化中已得到了广泛应用,数值模拟技术已经成为水电站开发、设计及优化的有力工具。 水电站水力发电系统主要包括引水系统、发电系统和尾水系统等系统。随着单机容量、电站装机容量的不断增大,水力发电系统的高效性、稳定性日益受到重视,而要保证机组的高效、稳定运行,各系统内部流动就必须要有良好的流态及尽可能小的水力损失。而通过数值模拟,可获得各系统内部稳态、非稳态的流速、压力分布,从而可实现系统的优化设计,并为机组的高效、稳定运行提供可靠的依据。 作为水电站关键设备之一的水轮机,对每个电站都需根据具体条件和要求进行设计制造,以确保良好的能量特性、空化特性和稳定性。而这需要在水轮机水力设计时做精心研究。近几年,水轮机数值模拟的一个突出进步是对水轮机所有过流部件的整体解析及转动部件(转轮)和非转动部件(导叶、尾水管)的耦合流动计算。整体解析是指对水轮机的整体(包括多个过流部件)进行流动计算。水轮机由蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等多个过流部件组成,这些部件在力学上具有很强的相互依赖关系。因此,不管是模型试验,还是数值模拟都应建立在对水轮机所有过流部件的整体模拟基础上,以获得真实、准确的数据。耦合计算是考虑了转动部件和非转动部件的动静干涉。与水轮机单部件的流动模拟相比,水轮机所有过流部件的整体耦合计算的边界条件更容易给定,在动静部件间不会产生不准确的边界条件,只需指定进口和出口的边界条件即可,计算结果与实际情况更接近,因而能更准确地预测水轮机的特性,为水轮机的优化设计提供更坚实的基础。 本文针对水布垭混流式模型和原型水轮机进行了叁维定常计算。叁维定常紊流计算采用多部件、动静耦合的计算方法,计算中针对模型和原型水轮机分别采用了两种物理模型,相应的流动计算分别称为“水轮机整体计算”和“水电站全流道计算”。水轮机整体计算的计算区域从蜗壳进口到尾水管出口,包括了蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等过流部件;水电站全流道计算的计算区域从压力引水管道进水口到尾水渠(管)出口,包含的过流部件与实际水电站的输水系统完全一样。与水轮机单部件计算和水轮机整体计算相比,水电站全流道计算是与电站实际运行情况最接近的一种计算方式,因而能获得原型水轮机更准确的流动、能量特性。本文根据水轮机整体计算和水电站全流道计算的数值计算结果预测了模型和原型水轮机的效率,预测结果与模型能量试
邓辉[4]2007年在《水电站尾水明满流过渡过程数值模拟研究》文中认为随着社会经济的发展和科学技术的进步,人们对电能和水量的需求也不断的增长,世界范围内大中小型水电站日益增多,很多电站由于地形、地质和布置等原因或为了利用已建的隧洞,都拥有较长的尾水隧洞,这就使得了解水电站尾水隧洞内的水力过渡过程显得尤为重要。本文应用目前应用较为广泛的数值模拟方法快速、准确的对水电站尾水隧洞内的水力过渡过程进行了数值计算。目前常用于数值模拟的有限差分格式分为显式和隐式两大类,其中隐式法是无条件稳定可用于较为复杂的明满流计算,而隐式法中又以特征隐格式更为适合。本文以具有一定恒水位的大型水库在闸门开启后隧道内泄流时发生的明满流现象为例,详细介绍了目前应用较为成熟的Preissmann四点隐格式和特征隐格式的明满流数学模型构建,并对其计算结果进行了对比和分析,证实了特征隐格式具有收敛性更好、精度更高、稳定性更好的特点。水电站中常用的尾水布置型式有两种:设置尾水调压室和设计变顶高尾水隧洞,本文应用特征隐格式对这两种尾水布置型式的水电站尾水明满流过渡过程进行了数值模拟,具体介绍了水电站尾水系统的边界处理和计算过程,并对变顶高尾水洞顶坡的选择进行了数值计算,提出顶坡的选择既要考虑压力振幅的大小,同时也要考虑工程量的大小,同时变顶高尾水洞是一种新型的水电站尾水隧洞体型,它在特定条件下能够取代尾水调压室,尤其适用于下游水位变幅大、尾水系统长度在150-600m之间的情况。
张小康, 邓德余[5]2017年在《水电站尾水系统CFD分析与优化》文中指出现有很多大中型水电站的尾水系统具有复杂的布置形式,无法直接使用经验公式求出其水头损失,需进行物理模型试验。但模型试验成本高周期长,壁面粗糙度不易模拟,而且受缩尺效应的影响。CFD数值模拟具有成本低,周期短,100%原型尺寸模拟的优势。应用计算流体力学方法对水电站尾水系统进行CFD数值模拟,得到其水头损失和流态,并对流场结构进行分析,提出尾水系统优化的一般原则。对比CFD计算和模型试验水头损失的结果,发现两者基本一致,表明用CFD进行水电站尾水系统优化是可行的,可以为工程设计提供可靠依据。
辜晓原[6]2005年在《金沙江向家坝水电站右岸地下电站变顶高尾水系统研究》文中研究说明本文针对向家坝右岸地下电站的特点,采用模型试验和数值模拟方法对变顶高尾水洞方案进行了较为系统的研究,为工程设计和施工组织提供了参考依据。全文共分以下几部分。 第一章:从总体上介绍向家坝电站的工程概况,提出了向家坝右岸地下电站布置方案存在的问题,阐述了国内外变顶高尾水洞技术的最新研究现状,提出了向家坝变项高尾水洞方案有待深入研究的主要内容和研究路线,说明了本文研究的重要意义。 第二章:主要论述了变顶高尾水洞的工作原理、体型设计和适用条件以及过渡过程计算的数值计算模型,重点在于数学模型的建立与分析,明满流交替现象中选择了合理的计算模型和计算方法; 第叁章:着重介绍了向家坝变顶高尾水洞方案模型试验的研究内容和主要结果。通过带模型机组的过渡过程的物理模型试验,了解了向家坝地下电站在恒定流、非恒定流条件下变顶高尾水洞中的水流状态;大波动过程中机组的调保参数、沿管轴线的压力分布、以及变顶高尾水洞内的涌浪;小波动条件下变顶高尾水洞体型对机组运行稳定性的影响;水力干扰过渡过程中变顶高尾水洞的适应性等。论证了向家坝采用变顶高尾水洞方案的可行性,为工程设计提供可靠的依据。 第四章:由于变顶高尾水洞的设计理论尚未完全成熟,有待深入研究探讨,采用物理模型试验和数值仿真计算相互论证、相互比较的研究方法是必不可少的。本章根据物理模型的试验条件和试验工况进行相应的数值计算,即在数值计算中,输入的管道、机组特性等参数均为模型试验实测数据,程序根据模型比尺输出原型的计算结果信息,并与原型化后的模型试验数据分析比较。由对比计算结果可以看到,两者对比的结果仍是合理的。无论大波动、小波动和水力干扰,不仅计算和试验波动过程的变化趋势一致,而且控制值的大小基本接近。 第五章:综合介绍了其他几家科研单位的研究结果,总结向家坝电站变顶高尾水洞的成果。从工程实际的角度讨论了它的适用范围,对后续工程的应用前景进行了展望。
肖惠民, 杨建东, 赵桂连[7]2004年在《水电站尾水系统布置方式的数值研究》文中研究说明对两种不同的尾水系统布置方式进行了流态和水头损失的对比分析。在雷诺时均N S方程基础上,采用k ε双方程紊流模型和刚盖假定,计算了尾水系统恒定流。计算结果与模型试验相一致,结果表明尾水岔管在调压井之后的阻抗式布置方式水头损失最小,为最佳方案。
彭玮, 张小康, 鲍海艳[8]2010年在《官地水电站尾水调压室与尾水洞连接岔洞的体型优化研究》文中研究表明对于首部式开发的水电站,其尾水系统水头损失直接关系到长期运行的经济效益。本文应用计算流体力学技术(CFD)对官地水电站尾水系统局部布置与结构体型进行数值模拟,开展叁维流场计算与分析,得到其水头损失和流态,确定设计方案;然后进行模型试验,并对比分析数值计算和模型试验结果,证明叁维流场计算结果的可靠性。采用叁维流场计算可进行方案对比及体型优化并得出较优的尾水(引水)系统体型,可以为一些无法进行模型试验的工程提供设计依据。
刘华[9]1994年在《水电站尾水系统的非恒定流计算》文中提出本文对复杂尾水系统的非恒定流进行分析和计算．以圣维南方程为基础，建立了复杂尾水系统非恒定流计算的数学模型，模拟了水轮机出流、尾水调压室、有压尾水洞无压尾水洞，从而考虑了无压尾水洞，对尾水调压室中水位波动的影响；同时，推导了由水轮机出流、尾水调压室和有压尾水洞组成的无压尾水洞非恒定流计算的上游边界条件，及相应计算工况的下游边界条件．数值计算方法采用Ｐｒｅｓｓｍａａｎ，Ａ．隐式差分法．
彭玮, 张小康, 杨建东, 鲍海艳[10]2011年在《官地水电站尾水系统体型优化研究》文中研究说明应用计算流体力学技术对官地水电站尾水系统进行数值模拟,得到其水头损失和流态,确定设计方案。进行模型试验,并对比分析数值计算和模型试验结果,证明CFD计算结果的可靠性。通过方案对比及体型优化得出较优的尾水系统体型,该设计可供类似工程参考。
参考文献：
[1]. 明满流尾水系统水电站水轮机调节系统暂态特性研究[D]. 王明疆. 武汉大学. 2015
[2]. 水电站尾水系统数值模拟及试验研究[D]. 郑双凌. 清华大学. 2004
[3]. 基于计算流体动力学的水轮机及水电站尾水系统数值研究[D]. 肖惠民. 武汉大学. 2005
[4]. 水电站尾水明满流过渡过程数值模拟研究[D]. 邓辉. 天津大学. 2007
[5]. 水电站尾水系统CFD分析与优化[J]. 张小康, 邓德余. 人民珠江. 2017
[6]. 金沙江向家坝水电站右岸地下电站变顶高尾水系统研究[D]. 辜晓原. 武汉大学. 2005
[7]. 水电站尾水系统布置方式的数值研究[J]. 肖惠民, 杨建东, 赵桂连. 水动力学研究与进展(A辑). 2004
[8]. 官地水电站尾水调压室与尾水洞连接岔洞的体型优化研究[J]. 彭玮, 张小康, 鲍海艳. 水电站设计. 2010
[9]. 水电站尾水系统的非恒定流计算[J]. 刘华. 成都科技大学学报. 1994
[10]. 官地水电站尾水系统体型优化研究[J]. 彭玮, 张小康, 杨建东, 鲍海艳. 水电与新能源. 2011