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[硕士论文] 杨咏梅
水利工程水利水电工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:管涌是导致大坝、堤防等水利设施失效的重要原因之一。管涌破坏的发生发展过程实质上是土体颗粒侵蚀、渗流场重分布以及应力状态变化等作用耦合的过程,为了揭示管涌过程中颗粒侵蚀、渗流、应力相互作用条件的管涌发展规律,本文基于现有的渗透理论,开展了向上渗流条件下无粘性散粒土管涌侵蚀-渗流-应力试验研究,探索了应力状态、颗粒级配和干密度影响下对土体管涌的侵蚀,渗流-应力耦合机理,其研究成果可以为水利工程渗透破坏的防治提供参考。本文的主要研究内容及其重要成果包括:
  (1)研制了管涌侵蚀-渗流-应力耦合试验系统,改进了散粒土管涌侵蚀试验装置中压力控制系统,主要将原来使用砝码来增加轴压,改成使用气缸加压,将围压装置改进成可以实时增大或减小,使之可以有效模拟复杂应力状态下的向上渗流散粒土管涌破坏的发生发展过程。
  (2)利用自研管涌侵蚀-渗流-应力耦合试验系统,分别开展了应力状态、颗粒级配、密实度影响下的散粒土管涌侵蚀-渗流-应力试验研究,基于试验结果,分析了渗透流量和水力梯度在管涌侵蚀过程中的变化规律,揭示了应力状态、颗粒级配、密实度条件下散粒土颗粒侵蚀规律。进一步分析了累积涌砂量和试样体积变化量在管涌侵蚀过程中的变化规律,得到了应力状态、颗粒级配、密实度条件下散粒土颗粒侵蚀与变形的作用规律。
  (3)基于散粒土管涌侵蚀-渗流-应力试验结果,对不同细颗粒流失量进行实时监测,并对不同细颗粒流失量发生剪切破坏时的围压值进行监测,经过公式换算,得到土体内摩擦角,分析管涌侵蚀试验过程中土体抗剪强度随细颗粒流失量的作用规律,揭示了应力状态、颗粒级配、密实度条件下散粒土颗粒侵蚀对土体强度的影响规律。
  (4)基于散粒土颗粒侵蚀对土体强度的变化规律,通过假设试样应力状态随细颗粒侵蚀的变化路径开展了散粒土管涌侵蚀试验,进一步揭示了土体应力状态演化与颗粒侵蚀相互作用条件的管涌发展规律。
[硕士论文] 涂金阳
水利工程水利水电工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:长江上游重庆至宜宾河段航道等级从Ⅲ级提升到Ⅱ级,是国家实施西部大开发战略的重要举措,同时也是加快上游地区发展的必然趋势。水师坝滩位于长江上游白沙水道,是集枯水浅滩、险滩为一体的分汊型浅险滩群,滩段水流条件复杂,碍航成因多变。本文采用理论分析和二维水流数学模型,对水师坝浅险滩群水流特性、整治参数及整治措施进行计算了分析,可为山区河流洲头浅险滩群的整治方法提供参考。
  论文的工作内容和研究成果主要有:
  (1)收集了丰富的滩段地形和水文资料,分析了水师坝河段河床演变规律及水文泥沙特性。结合滩段水位、流速及浮标流向等实测资料对平面二维水流数学模型进行了验证计算,给出了适合研究河段的基本参数。
  (2)基于概化水槽模型,通过数模计算和分析提出了流线漂距与横流、流量等的经验关系式以及航槽允许横流的计算式,给出了适合于水师坝河段的横流取值范围为0.5~0.7m/s。基于水师坝天然河段,通过密集工况的水流特性计算分析,给出了断面系数、航道流速、航槽比降、消滩判数等的沿程分布,结果表明,水师坝河段为分汊河道浅险滩群,即洲头上游水浅碍航,和对夹石与洲头对峙形成强烈夹堰水而成险。
  (3)通过多种坝型、坝长、坝轴线走向、坝位以及流量等众多工况的单因素和多因素计算分析,得到了水流速度、横流强度等变化规律,提出洲头顺坝比岸边丁顺坝更适合洲头险滩的整治;分析洲头坝坝头绕流特性,提出洲头坝横向位置的经验计算式;同时分析主汊河宽比μ推算洲头坝位置,两种方法相互得以验证并运用于航道整治。
  (4)本文提出的极速控制法推求整治线宽度,从泥沙起动和上滩流速两个方面控制滩段水流条件,紧密结合滩段实际,比常规的水力学法、造床流量法等传统方法更加符合实际,是一种确定山区河道浅滩整治参数的可靠方法。
  (5)提出了浅滩筑坝束水攻沙,险段炸礁及筑洲头坝调整流态、减缓横流的整治思路,经过多个整治方案的数值模拟和优化,得到的推荐方案基本能达到整治目的,可为实际工程的设计和实施提供技术支撑。
[硕士论文] 杨威
水利工程水利水电工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:近年来阶梯溢洪道在消能方面应用比较广泛。在中高水头电站中,阶梯消能结合挑流、底流消能结构能有效减少挑坎出流或者底流入池的水流能量,消能效果比单纯使用挑流、底流消能要好。实际工程中阶梯溢洪道局部区域在水流冲刷和空化气蚀作用下容易破坏,因此研究其破坏机理具有重要的工程意义。目前已有阶梯溢洪道破坏机理研究成果,主要从溢洪道结构优化、混凝土抗磨损能力、水流对阶梯的作用力等方面开展研究。本文针对水流结构对溢洪道的作用,分析流速、水流冲击压强、空化负压等参数的分布规律,研究阶梯型溢洪道的破坏机理及预测方法。
  本文采用物理模型、数学模拟和现场观测相结合的办法,分析门槛滩阶梯溢洪道的外部水流结构,分析溢洪道沿程的最大流速、最大水流冲击压力、最小空化负压的分布情况,预测可能发生破坏的区域。将门槛滩现场破坏区域与预测结果进行对比,确定造成门槛滩阶梯溢洪道破坏的主要因素及其影响权重,提出按因素权重确定的分级判别方法,从而得出阶梯溢洪道的水流作用破坏机理及预测方法。
  分析成果应用于八一桥水电站阶梯溢洪道,根据物理模型试验和三维数学模型的计算成果,分析八一桥阶梯溢洪道的最大流速、最大水流冲击压强、最小空化负压力等参数的分布规律,再结合门槛滩电站总结的破坏机理,预测八一桥阶梯溢洪道是否会发生破坏,以及长期运行后容易破坏的高风险区域。
  该研究成果可以在采用阶梯溢洪道的类似水电站消能结构中应用,为阶梯消能结构的风险分析、设计优化和管理维护提供技术支撑。
[硕士论文] 何梦男
水利工程水利水电工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:城市化的快速发展使得城市不透水下垫面急剧增多,导致地表径流量和径流系数增加、城市洪涝问题日益突出,制定合理的洪涝灾害应急疏散预案对于保障人民群众的生命财产安全具有重要的现实意义。传统的洪水灾害应急疏散主要采取演练的方式来提高人们的应急疏散意识,相较于演练方式,建立洪水应急疏散模型能够对疏散过程进行科学的量化表达,已成为应急疏散研究的重点。目前的洪水应急疏散研究大多是通过宏观概化模型来制定和优化最短疏散路径,往往缺乏对人的合理疏散行为的考虑,导致相关路径规划算法存在效率低、视野局限等问题。基于元胞自动机的疏散模型,能够从微观的角度上通过适当的规则演绎人的合理疏散行为规律,从而为城市防洪减灾应急预案提供参考和指导,对于提高洪涝灾害应急疏散能力具有重要意义。
  本研究基于元胞自动机理论建立了洪水灾害应急疏散模型,在进行静态障碍全局最短路径算法优化的研究基础上,开发了面向洪水过程的动态路径优化算法,实现了单人疏散向人群疏散的拓展,并对洪水应急疏散过程进行仿真模拟。论文主要研究内容与结论如下:
  (1)基于元胞自动机的全局最短疏散路径算法优化。通过构建静态障碍分布下的绕行距离场,设置最小绕行规则,提出了一种基于元胞自动机的全局最短路径优化算法(GSPCA),并提出了适用于平原城市的GSPCA2D模式算法和适用于山地丘陵城市的GSPCA3D模式算法。与启发式搜索算法(A*算法)相比可避免出现贴壁绕行现象,时间步数平均减少11.09%,路径长度平均缩短12.39%(GSPCA_2D)、16.82%(GSPCA_3D),求解效率更高,搜索的路径更优。
  (2)洪水过程疏散路径动态优化模型。通过构建洪水过程中的绕行距离场,设置考虑初始预判时间的动态最小绕行规则,提出了一种基于元胞自动机的洪水过程疏散路径动态优化算法(FPPCA),该优化算法可以结合洪水过程,快速而精确地求解不同地理位置的最佳疏散时间范围,并动态优化更安全的最短疏散路径。
  (3)洪水过程人群疏散模型。通过设计人群状态,考虑人群间竞争关系,实现了FPPCA单人疏散算法向洪水过程人群疏散算法的拓展。该算法不仅可以模拟疏散过程中发生拥堵的地点、时间以及通行量较大的路线,还可以模拟突发洪水情况下可能受困位置以及估算洪水应急疏散的最少用时。
[硕士论文] 李子晗
水利水电工程 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:黑龙江干流堤防因其特殊结构与填土材料,在上游侧较高水位长期浸泡及水位骤降的影响下,产生了一系列不利于堤防边坡稳定的现象。通过探究堤防的结构稳定性及内部的渗流稳定性来判断其是否能满足运行需求,具有避免滑坡,溃坝等事故发生的实际意义。
  本文考虑堤基、地质和地下水等因素,分析堤防在汛期的破坏机理,以汛期高水位长期浸泡及水位下降为运行条件,多种土料组成为研究工况,对堤防在行洪期间的渗流稳定和抗滑稳定进行研究。进行了试验土样的取样与物理力学试验,在此基础上设计并进行了砂槽模型在高水位长期浸泡及水位骤降时期的堤防稳定性试验,观测了堤防边坡的稳定性,渗流场及内部的土水压力变化过程。根据总结的堤防边坡稳定分析方法,利用数值软件对不同断面形式的堤防稳定性,土体强度参数及内部渗流线和坡降进行了研究,对砂槽试验的结果进行了验证与补充。
  分析表明,堤防土体在受到高水位长期浸泡后,各断面组成的土体强度在短时间内迅速减小,其内部渗流线在坡脚处逐渐压缩集中,背水坡坡脚处坡降最大,堤后水流出逸点均位于堤脚附近。主体为粘性土的堤防模型因渗透系数等原因较砂性土为主的堤防模型在水位骤降的工况下迎水坡面更容易发生较大的渗透破坏。
[硕士论文] 田娇
水利工程水利水电工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:急滩、浅滩在我国山区河流中普遍存在。长直型急浅滩不仅坡陡流急,且水深不大,同时滩段长而直。扩宽断面虽能解决急的问题但同时水深会变得更浅,滩段长直则没有开辟缓流区或形成搭跳上滩的条件,因此长直型急浅滩难以采用常规措施加以整治。所以,寻求一种适合于长直型急浅滩整治的新方案具有重要意义。
  本文采用理论分析和数学模型相结合的方法,基于长直型急浅滩概化模型和河道模型,开展长直型急浅滩整治措施和方法研究,主要工作内容和研究成果有:
  (1)利用概化模型的理论计算及两个典型滩段实际水文测验资料,对二维水流数学模型进行了细致的验证计算,获取了能较好模拟该河段流场的糙率、网格密度等计算参数。
  (2)运用二维水流数学模型对两个研究河段进行了多级流量的流场计算,利用水流数值模拟计算结果结合滩段现状及泥沙水文概况,详细分析了滩段的水流条件、碍航特性及滩险特性。澜沧江无名滩处于两深潭间,由于滩段河床发生水平向及垂向收缩,过水断面急剧减小,导致滩段不仅河道狭窄、深泓较高、水流湍急、水面比降陡,且滩段较长,为一典型的长直窄槽型急险滩。长江小南海滩原本顺直狭窄的航槽因大中坝或车亭碛滩缘部位淤长而致使航槽内水深不足,流急水乱,船舶航行较为困难,为典型长直型枯水浅险滩。
  (3)利用对急浅滩整治的理论分析结合概化模型的分析方案,从减缓河床比降和增加河床糙率的方向,探求急浅滩整治的新方案。减缓河床比降,设置了全段降坡法和挖填式梯级法及下挖式梯级法;增加河床糙率,设置不同间距组合槽式加糙法和坑式加糙法;严格采用控制变量法,对概化模型进行水流数值模拟分析。概化模型试验结果表明,减缓比降和增加糙率的方法可以有效的改善急浅滩水流条件,其中挖填式梯级法,在不增加断面泄水面积的情况下,有效的壅高水位并且减缓流速,效果较佳。间距合理的槽式和坑式加糙法都具有明显的整治效果。但是两种方案,普遍存在水面线不稳定,流速波动大的问题。
  (4)依据新的整治思路在实际模型中设置新方案,运用数值模拟计算分析与常规方案整治效果的区别。挖填式梯级法和槽式加糙法相结合的整治方案运用到澜沧江无名滩,得到了很好的整治效果,新方案的工程效果与糙率n值直接增加0.01相近,相当于在原来糙率基础上将糙率提高了29%的工程效果。改善局部水流条件,全面完成消滩。
[硕士论文] 王敏杰
水利水电工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着社会经济和城市化的不断发展,芜湖市水资源需求量越来越大,供需矛盾日益加剧,且水资源开发利用总体水平不高、利用效率较低,浪费现象严重。当前,迫切需要进行合理配置和开发利用各类水资源,以解决芜湖市水资源供需矛盾。
  本文首先从水资源多目标规划研究的课题背景和研究意义入手,较全面地介绍了研究进展,明确了研究思路;根据芜湖市的基本概况,讨论分析了芜湖市水资源开发利用现状及存在问题;论述需水预测基本方法,并结合实际情况,使用指标分析法、指数模型预测法及灰色模型预测法进行水资源需求预测研究,研究分别计算了生活需水、工业需水、农业需水以及生态需水,根据相关资料进行水资源供需平衡分析,并以此为常规配置方案;由于水资源的复杂性和不确定性,本文在建立数学模型时,以用水基本原则为基础,综合考虑经济目标、社会目标、生态目标和环境目标,从用水主体出发,考虑主体间的用水矛盾,将用水主体满意度作为核心,利用隶属度函数将目标函数转化为基于用水主体的线性满意度和非线性满意度函数,以研究区域综合满意度最大及子区满意度平衡系数最小为目标建立模型;详细讲解了模型求解思路以及模型系数求解方法;在研究的最后,应用Matlab优化工具箱多目标遗传算法函数进行模型求解。
  研究结论表明,通过比较优化方案与常规方案的结果,优化方案的结果在区域综合满意度以及子区满意度平衡系数上均优于常规方案,优化方案更有助于了解各用水主体的满意程度,更加均衡地优化调度各部门用水,对芜湖市的水资源优化调度具有一定的现实意义。
[硕士论文] 孙砚
水利水电工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着近年我国交通运输事业的进一步发展,桥梁基础在工程中的地位越来越重要,对基础要求也越来越高。一直以来大跨度跨河桥梁基础是桥梁设计和施工的难题。因此针对厚覆盖层地质条件提出了新型变截面基础形式——根式基础的概念。
  由于现阶段对根式基础根键布置型式缺乏进一步研究,故本文利用物理模型试验开展相关研究,通过试验数据及数值模拟探究根式基础在提高承载力方面的影响。
  本义进行三组模型静载试验共九种桩型,探究根键布置数目及位置对提高基础承载力的作用,同时对桩身轴力值和桩身侧摩阻力值进行分析。选取部分桩型在ANSYS里建模导入FLAC3D进行加载计算,将沉降值与试验得到的沉降值进行比较,分析相应的沉降云图、应力云图以及根键受力值。
  第一组模型试验说明有根键模型桩明显提高极限承载力;第二组证明了根键靠下布置更能提高桩基极限承载力;第三组验证了最下层根键的布置位置,在一定范围内,靠下布置根键对提高极限承载力的效果可以与五层根键布置相当。随荷载及基础沉降增加,桩身侧摩阻沿着桩身逐渐充分发挥。增加根键布置后其侧阻力占其总承载力比例增大,相应的端阻力比例减小。数值模拟中,其z方向沉降曲线与模型试验吻合;根键受力值可以看出其受力趋势以及其承受弯矩的方向,与试验现象吻合;加载后的云图直观看出根式基础在竖向荷载受压情况下的受力情况以及应力集中区。
  三组模型试验说明布置根键能明显提高桩基承载性能,根键布置数量及位置明显影响桩基极限承载力。两层根键之间的土体可看成一个整体,桩顶荷载主要由与根键外径一致的外包圆柱面产生的摩阻力、最底层根键的端阻力以及底部端阻力共同承担。数值模拟结果与模型试验数据基本吻合。
  根据模型试验和数值分析结果,对根式基础的设计与施工提供了借鉴和参考。
[硕士论文] 魏金亮
水利水电工程 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:苯酚是许多化工产品的重要原料,其需求量日益增多。同时,苯酚是一种有毒难降解的有机物,苯酚废水对环境的污染已不容忽视。苯酚废水的处理成为当今研究的热点方向,其中利用厌氧微生物法处理苯酚废水得到了广大学者的重视。本实验利用厌氧颗粒污泥,对苯酚废水的厌氧降解展开了一系列研究。
  实验利用静态驯化装置对颗粒污泥进行驯化,经过69天的驯化,厌氧微生物能够成功降解不同浓度的苯酚废水,对300mg/L时的苯酚废水去除效果最好,降解苯酚能力达到28.35mg/gVSS·d。利用驯化好的厌氧颗粒污泥进行影响因素对苯酚降解的研究,探求苯酚厌氧处理的最佳控制条件。结果表明:当pH为6.6~6.8,ORP在-280mV左右,DO<0.2mg/L,温度为35℃时,厌氧微生物处理苯酚效果最好。利用连续式运行装置降解苯酚时,水力停留时间为24h,苯酚负荷为0.5kgphenol/(m3·d)左右,厌氧微生物去除苯酚效果最好,去除率在94%以上。
  进一步探索厌氧微生物降解苯酚的内在机理,实验对颗粒污泥的胞外多聚物进行分析,以及利用气质联用(GC/MS)技术检测苯酚降解过程中的中间产物,确定苯酚厌氧降解途径。分析发现胞外蛋白质是抵抗苯酚毒性的主要物质,苯酚厌氧降解的主要途径为苯甲酸途径,苯酚先被转化为苯甲酸,接着被微生物转化为长链和短链烷烃类物质,最终被降解成乙酸、异丁酸等物质被微生物利用。
  本文研究了降解苯酚的优势菌属演变情况,通过高通量测序技术,利用PCR扩增16s rDNA片段,对降解苯酚的优势菌属进行了鉴定,结果表明Candidate_division_OP8_norank、Syntrophorhabdus、Synergistaceae_unclassified、Syntrophomonas和Anaerolineaceae_uncultured这5个菌属互相影响,共同降解苯酚,逐渐演变为了降解苯酚的优势菌属。
[硕士论文] 李辉
水利水电工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,由于城市人口的急剧膨胀、经济社会的飞速发展,很多地区对水资源的开发利用已接近甚至超过了当地水资源的承载上限,水资源短缺问题日益突出并制约着区域社会、经济的可持续发展。水资源承载力诊断评价可为水资源管理过程中识别、调控水资源超载因素提供依据,对促进人水和谐、实现区域可持续发展具有重要的现实意义。论文在分析归纳水资源承载力诊断评价概念的基础上,构建了基于联系数的区域水资源承载力诊断评价模型,并利用减法集对势诊断水资源承载力的脆弱性指标,应用于安徽省水资源承载力的动态诊断评价和空间差异诊断分析的研究中,针对水资源承载力诊断预测问题,建立了基于联系数的区域水资源承载力诊断指标组合预测模型。论文取得了如下主要结论:
  (1)采用“评价-诊断-调控-再评价”的研究方法论,构建了基于联系数的区域水资源承载力诊断评价模型,并对安徽省水资源承载力进行了动态诊断评价研究。结果表明:安徽省2005年-2015年的水资源承载力综合评价等级值均处于2级临界超载附近,虽存在缓慢改善的趋势、但承载状况不佳;将诊断识别出引起水资源承载状况不安全的主要指标进行调控后,再次对水资源承载力的总体安全状况进行综合评价,调控后再评价的承载状况结果得到明显改善。
  (2)进行了安徽省水资源承载力空间差异的诊断分析评价。结果表明:安徽省江南地区水资源承载力最好,江淮地区次之,淮北地区的水资源承载力最差;从子系统层面分析,江南地区水资源承载支撑力子系统最好,江淮地区次之,淮北地区最差,但淮北地区水资源承载压力最小;从指标层面诊断分析,人均水资源量是导致安徽省各市水资源承载状况存在空间差异的最主要因素。
  (3)在区域水资源承载力诊断指标预测的BP神经网络、多元线性回归模型和支持向量机模型建立的基础上,构建了基于联系数的区域水资源承载力诊断指标组合预测模型(CNCF)。结果说明:CNCF综合了BP神经网络、多元线性回归和支持向量机这3种预测方法的优势,克服了在承载力诊断指标预测中BP神经网络外延性差、多元线性回归模型预测精度低、支持向量机拟合效果差的缺点,预测精度较单一的预测模型有显著提高。
  综上所述,论文提出的基于联系数的区域水资源承载力诊断评价方法、组合预测方法及研究思路是合理、可行的,具有很好的普适性,可为集区域水资源承载力评价、诊断、预测为一体的综合研究提供有效的方法,为区域水资源合理配置与调控提供技术支持,对于建立水资源承载力监测预警机制具有重要意义。
[硕士论文] 王康
水利水电工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:低扬程泵站在我国跨流域调水、水环境改善、城市防洪等方面发挥着重要作用。泵装置效率取决于其各组成部分的效率及相互之间连接的顺畅度。导叶在泵装置中上承叶轮,下接出水流道。水泵叶轮出口设置导叶的初衷是将水流的旋转动能转化为压能,从而减小水力损失。当前导叶都是不可调节的,导叶进口安放角是按设计工况下叶轮的出口水流速度三角形确定的。导叶的出口安放角的设计目标应是使得导叶出口获得使出水流道水力性能最优的最优环量,最优环量与流量有关。当工况改变后,叶轮的出口水流速度三角形和出水流道所对应的最优环量都会发生改变,此时导叶的进出口安放角不可调节,水力损失将会增大,泵装置效率下降。本文提出调节导叶进出口安放角以提高泵装置效率的方法。
  针对导叶进出口安放角对泵装置水力性能的影响的研究,本文的研究工作主要有以下内容:
  1、对国内外的轴流泵后置导叶的研究成果进行了总结分析,明确了研究导叶进、出口安放角对泵装置水力性能影响的目的、意义和主要研究内容;同时总结分析了数值模拟的发展现状,明确了本文的研究方法及其可行性。
  2、对轴流泵泵装置进行实体建模以及网格剖分,并对多个不同网格数的轴流泵泵装置模型模拟计算,进行网格的无关性分析,选择数值分析网格数量,以保证其对轴流泵泵装置性能计算结果无影响。在此基础上,运用CFD计算软件对不同方案进行计算,并对模拟结果加以分析与研究。
  3、提出导叶叶片整体调节的方法,在不同工况点下进行模拟计算。当导叶固定不动时,流量为0.8Qd、0.9Qd、1.0Qd、1.1Qd及1.2Qd时所对应的泵装置效率分别为72.06%、75.33%、74.96%、65.59%及38.84%,导叶整体调节时,不同流量下所能达到的最优效率为74.02%、75.81%、74.96%、66.20%及43.24%,均有所提升;可见,导叶整体调节对提高泵装置效率有所帮助。
  4、以0.8Qd与1.2Qd为例,分别分析小流量与大流量时导叶出口安放角对出水流道水力性能的影响,提出分部调节导叶的构想,并对其进行计算,得出结论:小流量时,不同调节方案对泵装置水力性能的影响较大。对于最优泵装置效率,整体调节时比固定导叶提高了1.96%,分部调节又比整体导叶提高了1.16%;大流量时,整体调节对泵装置水力性能的提升影响较大,泵装置效率比固定导叶时提升了4.4%,分部调节与整体调节相比影响较小,泵装置效率仅提高了0.18%。
[硕士论文] 张雪
水利水电工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国城镇化建设进程的加快,洪涝灾害和水环境恶化等问题也随之加剧。为了更好地应对出现的问题,需要建设大批大型泵站。出水流道作为低扬程泵站的重要组成部分,如果流道内流态不良,会降低泵装置效率,甚至会威胁泵站的安全运行。虹吸式出水流道利用虹吸原理,断流方式简单可靠,但是工程投资较大,且断面形状复杂,设计尺寸不当易引起机组振动等不良现象。在我国已建的大型低扬程泵站中出水流道很多采用虹吸式,因此,本文选择研究优化虹吸式出水流道的水力性能具有重要的理论意义和实用价值。
  工程中设计出水流道往往需要设计人员花费大量的时间去绘制单线图。如果能够设计一个界面,用户只要提供流道主要控制尺寸就能得到相关单线图,这样就大大提高了流道绘制效率。因此,对出水流道的参数化二维绘图软件设计具有一定的工程实用价值。
  本文的内容分为两部分:第一部分是虹吸式出水流道优化设计研究,第二部分是流道的二维参数化绘图软件设计研究。
  虹吸式出水流道水力优化设计研究采用了流体力学Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型对虹吸式出水流道进行了数值模拟研究,其主要内容是:分析比较了虹吸式出水流道几何参数对流道水力性能的影响,包括:上升段倾角、驼峰断面高度、下降段倾角和出口断面宽度。在这些几何参数中,流道水头损失随着上升段倾角α的增大而呈现先逐渐减小后逐渐增大的趋势。驼峰断面高度对流道影响很大,随着驼峰断面高度H2的增大,流道水头损失是先减小后逐渐增加的。但由于流道驼峰断面高度的选择还要兼顾土建投资,所以也不宜过大,宜取在H2=0.88 D0左右。下降段倾角除了对流道水力性能有影响,还对工程土建投资有较大影响。下倾角值越大,流道水头损失就越大。出口断面宽度B3过大会引起虹吸式出水流道水头损失的明显增加,在B3大于2.31 D0时,B3与水头损失关系没有明显影响。
  在二维参数化绘图软件设计部分采用某种虹吸式出水流道线型设计方法,编制了设计主程序(主要由上升段、驼峰段、下降段和出口段四个部分组成)。以AutoCAD绘图软件作为绘图平台,运用Visual Basic语言与其做接口,编制了绘制虹吸式出水流道剖面图、俯视图。为了研究虹吸式出水流道几何参数和水力损失之间的函数关系,利用VB语言和MATLAB语言混合编程和多元回归模型,得到拟合方程和残差图。
[硕士论文] 王芃也
水利水电工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:泵站出水流道是泵站工程水工建筑物重要组成部分,对于低扬程的立式轴流泵装置,虹吸出水流道具有断流方式简单、水头损失较小等特点,因此在立式轴流泵装置的泵站工程设计中出水流道常采用虹吸出水流道。
  本文原泵装置模型是以某大型泵站泵装置模型为原型,其采用的出水流道形式为蜷曲式虹吸出水流道,能够较好的适应当地的地形条件,缩短了泵站纵向长度,从而节省了土建投资,具有较好的站身稳定性。目前,国内外对于蜷曲式虹吸出水流道的研究并不多,所以对该种类型的出水流道的水力特性还有待深入了解。
  本文采用CFX软件,对原泵装置模型进行数值模拟,计算结果表明:原泵装置模型进水流道轴向流速均匀度较高,流线平顺,但是出水流道流线整体较为紊乱,存在多处漩涡;其出水流道的水头损失主要来源于弯管段产生的水头损失;水流经过出水流道由于涡动能的回收,涡量逐步减小,但是流经出口附近时截面平均涡量有所增加,主要由于出水流道出口附近存在漩涡所致;对原泵装置模型进行外特性预测,将预测的结果与试验数据进行对比,两者整体趋势基本一致,在小流量工况下,预测结果比模型试验数据扬程略微偏小、效率稍微偏高,且差值很小,在设计工况附近及大流量工况高度吻合,表明计算结果可信。
  针对原泵装置模型出水流道存在的问题进行优化,根据各截面中心之间的距离与截面面积的分布关系,发现原泵装置模型出水流道出口截面明显偏大,可以通过抬高出水流道出口底部高程,从而减小出口截面的面积、改善流态、提高泵站运行的效率,同时可以减少工程量。针对原泵装置模型出水流道下降段进行优化,优化方案1的出水流道下降段流态得到了明显的改善,各典型截面的平均涡量降低,出水流道水头损失降低,出水流道出口截面的轴向流速均匀度提高13个百分点以上,泵装置运行效率在各个工况下,较原泵装置模型提高了0.19个百分点至2.05个百分点,高效区明显拓宽。
  对出水流道整体进行进一步优化,改变原泵装置模型驼峰段截面面积,保证了出水流道各截面中心之间的距离与截面面积呈近似线性分布,优化方案2很好的消除了原泵装置模型出水流道存在的多处漩涡,各典型截面的平均涡量得到了进一步的降低,出水流道的水头损失在各个工况下减少0.03m以上,出水流道出口截面的轴向流速均匀度达到了88%左右,提高了18个百分点左右,泵装置运行效率在各个工况下,较原泵装置模型提高了0.23个百分点至3.64个百分点,其中在在大流量工况下,效率提高最为明显。
  研究了来流扰动对进、出水流道流态和水泵性能的影响,由于机组不对称运行,水流不能平顺的流入进水流道,通过水力特性的对比,来流扰动情况下,进水流道进口截面流态变差,进水流道出口截面轴向流速均匀度有所降低,受其影响原泵装置运行的效率在各个工况下下降了0.26个百分点至1.24个百分点。出水流道的流态同样受到了影响,相较于原泵装置模型更加紊乱,漩涡范围扩大,各典型截面的平均涡量增大,进、出水流道及泵段水头损失都有所增加,出口截面轴向流速均匀度降低。在泵站的实际运行过程中应尽量避免机组的不对称运行、侧向进水等来流扰动的发生。
[硕士论文] 徐磊
水利水电工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:S形轴伸泵系统是一种流道呈S形的轴伸泵系统。S形轴伸泵系统在我国的建设应用较早,但由于性能欠佳、效率不高,难以满足节能等实际工程技术需要,所以应用发展缓慢。但该泵系统结构简单,维修方便,不受泵大小制约,可用于各种尺寸的轴流泵系统,如果能保证节能高效,应用前景十分广阔。
  近年来,一些学者研发了新型S形轴伸泵系统,使得这种泵系统突破了效率不高的瓶颈,并将其应用于工程领域。目前国内外学者对S形轴伸泵系统的水力特性已经有了一些研究,但还停留在对前置式或后置式单个形式的泵装置研究上,并没有文献对前置式和后置式这两种不同形式的泵装置的水力特性进行综合比较分析。
  副导叶是一种位于导叶后侧、处于出水流道内部的整流装置,它可以将出水流道中水流剩余环量进一步回收,从而改善出水流道的内部流态,减小水力损失。但在流道中加入副导叶势必会增大摩擦损失。目前,对于在装置内部加入副导叶能否提高装置性能还缺乏深入研究。
  本文采用CFX软件,分别对平面S形前置与后置轴伸泵装置进行数值模拟计算。根据模拟结果分析两种泵形式的内外特性,并进行对比分析。在两种泵形式的出水流道不同位置加入不同形状的副导叶,观察各个方案能否通过减小水流剩余环量来最终提高装置性能,并通过对比各个方案的装置性能,探索副导叶合适的安装位置与形状。
  数值计算结果表明:前置轴伸泵装置在Q=300l/s时效率最高,为76.67%,对应的扬程为3.088m,后置轴伸泵装置在Q=280l/s时效率最高,为76.85%,对应的扬程为3.448m。后置式在小流量工况时效率高于前置式,适用于偏小流量工况运行,前置式则是在大流量工况时效率更高,适用于偏大流量工况运行。小流量工况时后置式扬程高于前置式,功率则略低于前置式,大流量工况时前置式扬程较高,功率明显高于后置式。
  从两种泵形式进出水流道水力特性的对比中可以发现,后置式进水流道出口的流速均匀度在全工况下高于前置式,而进水流道水力损失则在全工况下小于前置式,进水流道水力特性更佳。两种泵形式出水流道水力损失在小流量工况时相近,设计及大流量工况时前置式更小。前置式导叶出口外周的环量在小流量工况时大于后置式,在Q达到300L/s后,两个泵装置的环量均趋近于0,截面上的正负环量相互抵消。从前置式出水流道中截取与后置式弯管相同长度的出水等效管,弯管与出水等效管水力损失皆在设计工况时取得最小值,弯管水力损失占出水流道水力损失的比重更大,弯管出口的环量在小流量工况时更小,大流量工况时更大。
  在平面S形前置轴伸泵装置出水流道不同位置处加入矩形以及流线形副导叶,比较流道的水力特性及装置的能量性能。结果表明:各方案中的副导叶均能有效地回收水流的剩余环量。相同位置的流线形副导叶方案的装置性能优于矩形副导叶方案。两种形状的副导叶方案总的趋势是离流道进口越远,装置性能越好。离流道进口一定距离处加入副导叶可以提高装置的性能。
  在平面S形后置轴伸泵装置的弯管出口以及出水流道出口加入流线形副导叶后,均能有效地回收水流的剩余环量,但装置效率均略微下降,同时,副导叶置于弯管出口的方案效率略低于副导叶置于流道出口的方案。根据对副导叶在两种泵形式中的尝试可以说明,在流道中设置副导叶虽能有效减小水流剩余环量,但并不一定可以提高装置效率。所以在其他形式的泵装置中使用副导叶能否有效需要进行验证。
[硕士论文] 崔阳
水利水电工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:水源地取水泵站包括预沉池、曝气池、前池3个主要部分,取水泵站内流速小,水位变幅大,内部流态紊乱。当取水泵站内无水力优化措施时,预沉池内水流流态紊乱,曝气池及前池内存在回流区、死水区以及漩涡,取水泵站内的不良流态会导致曝气池及前池局部泥沙沉淀和入泵水流流速分布不均匀。本文通过CFD技术,对水源地取水泵站工程整流措施展开研究,重点研究了预沉池前穿孔花墙配水均匀性,预沉曝气池与前池联合运行时整体水力优化措施,以及多泵运行模式下前池内流动特性和水泵吸水均匀性的差异。研究成果对进一步改善取水泵站内水流流态,防止泥沙淤积,提高水泵运行的安全性、高效性有一定的指导意义,为多泵运行条件下开泵方式的选择提供参考。
  (1)运用商用软件ANSYS14.5,紊流模型选取标准k-ε紊流模型。通过网格无关性分析,确定取水泵站整体网格总数为175.6万。
  (2)预沉池穿孔花墙水力优化研究。不同水位条件下,不同形式(矩形、圆形、菱形)的穿孔花墙配水均匀性存在较大差异;采用菱形穿孔花墙进行配水,水流在预沉池内流速分布更加均匀,流态相对平顺,有利于泥沙等固体颗粒悬浮物的沉降。
  (3)取水泵站内流动特性研究。对于斜坡闸孔入流取水泵站、斜坡扩散自由入流取水泵站,在无措施条件下,其内部流态较为紊乱,在曝气池廊道转角处、斜坡段均存在明显脱流、漩涡以及回流区,且水流进入前池后存在严重偏流问题。斜坡闸孔入流取水泵站在斜坡段存在大面积回旋区,水流以射流形式进入前池很难扩散均匀;斜坡扩散自由入流取水泵站则在斜坡段和前池内易形成大面积回流区。
  (4)取水泵站曝气池流态改善研究。曝气池廊道转角处倒圆角、廊道转角内设U形导流墙和1/4弧形导流墙,有效地消除了廊道内存在的脱流、死水区;在斜坡段设双U形导流墙和等分双隔墩有效地改善了斜坡段明显的偏流问题,削弱了斜坡段回流漩涡的发生,使得水流相对平顺地进入前池。
  (5)斜坡闸孔入流取水泵站前池流态改善研究。前池无整流措施时,水流通过闸孔射流形式直接撞击后壁,在两侧形成大面积回流,且各泵机组吸水均匀性差异较大,各泵喇叭管入口断面流速均匀度呈现倒V字分布,中间3#机组吸水均匀性较高,两侧机组吸水均匀性较差。通过在前池内两闸孔中线处设置八字形导流墩、泵机组间设置隔墩、改变前池两侧直角翼墙等组合措施,明显改善了前池内流态及流速分布,特别是底层水流扩散均匀,基本无明显漩涡存在,且面层大面积回旋区得到较好地控制,各泵机组吸水均匀性均得到提高,各泵吸水均匀性差异明显减小。
  (6)斜坡扩散自由入流取水泵站前池流态改善研究。前池无整流措施时,水流通过扩散段进入前池,在前池的两侧形成回流区,同时在靠近前池后壁处有局部漩涡发生;此时,各泵机组吸水均匀性呈现两侧机组高,中间机组低。通过在泵机组间设置隔墩、在前池内设置八字形导流墩、设置45°倾斜挡板等组合措施,明显改善了前池内流态及流速分布,提高了各泵机组吸水均匀性均。其中,隔墩高度的增加有利于改善前池面层流态,且减弱了底层各泵机组喇叭管口吸水时水流间的相互干扰。八字形导流墩位置宜设置在扩散段处,过分靠近后壁或偏向两侧,在前池中层和面层两侧翼墙处漩涡回流现象越严重,且各泵机组吸水均匀性提升相对最大;八字形导流墩扩散角宜取18°左右,扩散角过小,两侧泵机组吸水均匀性有明显下降,扩散角过大,前池局部漩涡增多;采用45°倾斜挡板对于斜坡扩散入流方案的取水泵站前池流态改善效果显著,随着倾斜挡板位置远离后壁方向移动,前池底层流速分布更加均匀,各泵机组吸水均匀性越好。
  (7)不同开泵方式下,斜坡闸孔入流取水泵站前池水力特性研究。取水泵站内无措施条件下,不同的开泵方式对前池内流态的影响较小;同时运行1#、2#、3#、4#泵机组,各泵机组吸水均匀性较好,且差异较小,为无措施条件下较优运行方案。取水泵站采用优化措施后,在不同的开泵方式下,各运行方案前池底层的流线分布均较为均匀,无明显回流产生;在前池的中层存在不同程度的局部回流漩涡;在前池的面层流线分布较为均匀,且差异不明显,有局部漩涡发生在两侧倾斜壁面处;在运行方案4和运行方案3开泵方式下,各运行的泵机组吸水均匀性较高,其中运行方案4运行泵机组喇叭管入口断面流速均匀度均在72%以上,采用改善措施后的取水泵站宜采用运行方案4的开泵方式运行。
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