通气孔进气条件下水电站尾水系统水力过渡过程研究结题摘要

通气孔是输水系统中一项重要的稳压措施，广泛应用于水电站尾水隧洞、长距离供水及城市排水工程中。当系统发生过渡过程时，通气孔处会出现进气、排气及局部气液两相流的瞬态过程，整个动态过程较为复杂，且常伴随较大的瞬变压力，危及系统安全。本项目通过模型试验，观测了水电站甩负荷工况下通气孔处的进排气过程；基于模型试验，建立了尾水通气孔的水力过渡过程一维数学模型，模拟了通气孔的进排气过程，揭示了排气结束伴随较大瞬变压力的机理，其来源于被空气分隔的液柱重新弥合，发生直接水锤现象。通气孔面积较大时，撞击压力随着面积的增加而减小；通气孔面积较小时，撞击压力随着面积的增加而增加。根据其特性，提出通气孔结构优化方案，即进气时孔口全部打开，排气时只有部分孔口排气，当排气面积占进气面积10%左右时，压力振荡得到较好的控制，解决了通气孔水流喷涌问题；采用FLUENT及VOF 方法，建立了通气孔边界三维瞬态流动数学模型，结合水电站输水发电系统一维过渡过程计算，精细模拟水电站瞬变过程中通气孔进排气过程及局部气液两相流。本研究对水电站尾水通气孔以及城市排水管道通气竖井的设计及安全运行具有重要的理论意义和实用价值。 2100433B

通气孔作为输水系统中一项重要的稳压措施，广泛应用于水电站尾水隧洞及长距离供水工程中。当系统发生过渡过程时，通气孔处会出现进气、排气及局部气液两相流的瞬态过程，整个动态过程较为复杂，且常伴随较大的瞬变压力，危及系统安全。现有瞬变流理论和研究成果对于该现象的描述不够深入，难以满足相关工程设计的需要。本项目拟采取理论分析、数值模拟和模型实验相结合的方法，深入探索通气孔进气至排气整个瞬态过程中气体的热力学特性、水气交界面的动态特征以及伴随较大瞬变压力的内在机理；建立水电站输水发电系统一维过渡过程与通气孔边界三维瞬态流动耦合的数学模型及计算方法，精细模拟水电站瞬变过程中通气孔进排气过程及局部气液两相流，研究其瞬态过程对系统的动态影响；建立通气孔体型参数与进排气特性及最大水锤压力的影响关系，并寻求规律性特征。本研究对相关工程的设计及安全运行具有重要的理论意义和实用价值。

水力过渡过程属工程水力学的一个分支，是一门较为专业的学科。《有压输水系统水力过渡过程》主要介绍水电站、水泵系统等有压管道中的瞬变流，立足于教学及科研成果，系统介绍有压输水系统水力过渡过程的基本概念、基础理论，重点阐述水轮机组、调速器、调压室、调压阀及水泵系统等边界条件方程，以及相应的数学求解方法，并探讨水力过渡过程的控制方法 。

目录

第一章 水力过渡过程概述 1

第一节 基本概念 1

第二节 管道中的水击现象 1

第三节 水力过渡过程研究的历程及现状 3

第四节 研究水力过渡过程的意义和目的 5

第二章 基本方程 7

第一节 基本假定 7

第二节 运动方程 7

第三节 连续方程 9

第四节 水击波速计算 10

第三章 水力过渡过程实用解法 15

第一节 特征线方程 15

第二节 有限差分方法 17

第三节 基本边界方程 20

第四节 工业管路系统典型边界 25

第五节 时间步长和管道分段 29

第六节 带插值的特征线方法 30

第四章 水轮机组过渡过程 33

第一节 概述 33

第二节 水轮机组特性 33

第三节 水轮机组过渡过程类别及历程 37

第四节 水轮机特性曲线的处理 42

第五节 水轮机组边界方程及解法 47

第六节 调节 保证计算及控制措施 51

第七节 蜗壳和尾水管当量管 55

第八节 水斗式机组过渡过程 58

第九节 调速器方程 61

第五章 调压室水力过渡过程 65

第一节 调压室的作用和要求 65

第二节 调压室类型及设置条件 65

第三节 调压室水位波动计算 72

第四节 调压室稳定性 76

第五节 调压室数值计算 81

第六章 水电站调压阀 87

第一节 调压阀的作用 87

第二节 调压阀水力计算 88

第三节 调压阀流量特性 90

第七章 水泵系统水力过渡过程 91

第一节 水泵运行特征 91

第二节 水泵量纲全特性曲线 95

第三节 水泵事故停运边界方程 102

第四节 水泵启动边界方程 109

第五节 水柱分离及弥合计算方法 110

第六节 水泵系统水锤防护措施 112

参考文献 122 2100433B

内 容 提 要

本书适用于高等学校水力发电工程专业的师生使用，也可供研究生和有关科学技术

人员参考。