通氣孔進氣條件下水電站尾水系統水力過渡過程研究

《通氣孔進氣條件下水電站尾水系統水力過渡過程研究》是依託河海大學，由俞曉東擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：通氣孔進氣條件下水電站尾水系統水力過渡過程研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：俞曉東
• 依託單位：河海大學

項目摘要

通氣孔作為輸水系統中一項重要的穩壓措施，廣泛套用於水電站尾水隧洞及長距離供水工程中。當系統發生過渡過程時，通氣孔處會出現進氣、排氣及局部氣液兩相流的瞬態過程，整個動態過程較為複雜，且常伴隨較大的瞬變壓力，危及系統安全。現有瞬變流理論和研究成果對於該現象的描述不夠深入，難以滿足相關工程設計的需要。本項目擬採取理論分析、數值模擬和模型實驗相結合的方法，深入探索通氣孔進氣至排氣整個瞬態過程中氣體的熱力學特性、水氣交界面的動態特徵以及伴隨較大瞬變壓力的內在機理；建立水電站輸水發電系統一維過渡過程與通氣孔邊界三維瞬態流動耦合的數學模型及計算方法，精細模擬水電站瞬變過程中通氣孔進排氣過程及局部氣液兩相流，研究其瞬態過程對系統的動態影響；建立通氣孔體型參數與進排氣特性及最大水錘壓力的影響關係，並尋求規律性特徵。本研究對相關工程的設計及安全運行具有重要的理論意義和實用價值。

結題摘要

通氣孔是輸水系統中一項重要的穩壓措施，廣泛套用於水電站尾水隧洞、長距離供水及城市排水工程中。當系統發生過渡過程時，通氣孔處會出現進氣、排氣及局部氣液兩相流的瞬態過程，整個動態過程較為複雜，且常伴隨較大的瞬變壓力，危及系統安全。本項目通過模型試驗，觀測了水電站甩負荷工況下通氣孔處的進排氣過程；基於模型試驗，建立了尾水通氣孔的水力過渡過程一維數學模型，模擬了通氣孔的進排氣過程，揭示了排氣結束伴隨較大瞬變壓力的機理，其來源於被空氣分隔的液柱重新彌合，發生直接水錘現象。通氣孔面積較大時，撞擊壓力隨著面積的增加而減小；通氣孔面積較小時，撞擊壓力隨著面積的增加而增加。根據其特性，提出通氣孔結構最佳化方案，即進氣時孔口全部打開，排氣時只有部分孔口排氣，當排氣面積占進氣面積10%左右時，壓力振盪得到較好的控制，解決了通氣孔水流噴涌問題；採用FLUENT及VOF 方法，建立了通氣孔邊界三維瞬態流動數學模型，結合水電站輸水發電系統一維過渡過程計算，精細模擬水電站瞬變過程中通氣孔進排氣過程及局部氣液兩相流。本研究對水電站尾水通氣孔以及城市排水管道通氣豎井的設計及安全運行具有重要的理論意義和實用價值。