闸门调控下的水动力学模型建立与应用

考虑闸门前后水位对淹没系数的影响,利用泰勒展开和有限差分法,对闸门过流模型进行了改进,建立了闸门调控下的水动力学模型.选取南水北调中线一期工程总干渠的部分渠段对模型进行了模拟计算.水面线及闸门过流的计算结果表明,模型合理可靠,可以实现闸门过流的连续模拟并提高计算精度.初步应用该模型进行了闸前常水位模式下典型渠段的水力响应计算,分析了平衡状态的渠道水面线及闸门运动变化.结果显示,闸前常水位运行模式下,闸门开度变化与过流量变化一致,节制闸的启动时间与上边界的距离和流量增减关系密切,计算水面线符合水力学的一般规律.模型可作为输水明渠调度控制决策的有效研究工具.     

输水系统闸前常水位控制下的区间调度研究

针对输水系统的运行调度问题,提出了基于分水口分水流量调控的区间调度的原则.利用有限差分法建立了能够模拟多种过水建筑物的一维非恒定流数学模型,以南水北调中线工程为研究对象,在给定的闸前常水位控制运行方式和闸前允许水位变幅下,设计了两种区间调度模式并进行了模拟计算,获得了反映渠道水力响应的闸门起调时间和始末开度、渠道重新平衡稳定时间以及渠段间的最大水位变幅.计算结果表明,在合理的允许水位变幅下,区间调度能够缩短输水系统的水力过渡过程,控制节制闸参与调节的数目.该调度方式在优化大型输水系统输水过程、提高渠道运行控制效率方面具有良好的作用,为调水工程的运行调度提供了一个有益参考.     

船闸一次过闸平均吨位计算模型

为研究内河船闸通过能力,对其关键参量一次过闸平均吨位的计算方法进行改进,建立了基于船舶吨位与面积关系的一次过闸平均吨位计算模型.结合实测资料,对模型的船舶吨位与面积关系以及闸室利用率进行了分析.船舶吨位与面积关系可采用线性、二次多项式等函数进行回归分析得到,闸室利用率可采用其年平均值,一般在0.5~0.7之间.验证表明:该模型结构简单,能够得到令人满意的结果;较之规范(JTJ305—2001)推荐的方法,回避了过闸设计船型的选取及其组合等不确定性因素,能够动态地反映船舶大型化和标准化趋势的影响,根据实际或预测的船舶平均吨位即可连续计算一次过闸平均吨位,为船闸通过能力计算提供了新思路.     

闸群调控下的输水系统水力响应过程

采用具有模拟复杂内边界功能的明渠一维非恒定流数学模型,以大型输水系统为研究对象,在渠首流量和闸群同步快速变化的极端情形下,对输水渠道的输水响应过程进行了模拟.计算得到了总干渠渠首流量增大和减小两种情况下渠道内水位变化过程,其特征表现为:在渠首流量快速变化、闸群全线同时响应的情况下,渠道水位波动十分剧烈,多数节制闸相邻断面的水位变化速率均大于一般的水位变化速率要求,对渠道的安全运行可能产生十分不利的影响,应尽可能避免此类工况的出现,采用合理有效的闸群控制操作来保障输水系统的安全有效运行.     

三峡升船机上闸首预应力锚索方案分析

提出了能反映键槽几何形状、传力特征的“键槽传剪模型”物理方程式，据此模拟三峡升船机上闸首结构的纵横键槽施工缝在正常运行水位下的接触变化情况.对是否布置预应力锚索进行了计算比较，详细分析了预应力措施对三峡升船机上闸首接缝接触情况和应力分布规律的影响，对三峡升船机上闸首设计的安全性和合理性作出了评价.     

山区河流微弯河段平面二维数值模拟应用研究

数值模拟技术在河道整治中的应用越来越广泛,利用通用商业软件以及自编程序进行计算是目前主要的两种数值模拟方法。针对长江上游微弯河段河道特性,对丰都刀鞘溪河段进行数值模拟,复演河段的水位与流动情况。通过对比发现计算水位与实测水位偏差很小,河道流动情况与实测流动情况大致相同,达到了较高的计算精度,能够满足工程应用的需求,较好地模拟了复杂的河道流动情况。计算成果可用于长江上游通航、行洪论证以及航道整治等方面研究。     

基于动态规划法的调水工程闸泵切换优化调度方案

针对跨流域调水工程运行线路中经验型闸泵切换启闭形式的问题，选取位于山东省德州市中心城区潘庄引黄灌区马颊河左岸辛店闸至沟盘河水库整条线路为研究区域，基于动态规划的正向递推法，以调水线路经济最优、调水最快为目标函数分别建立2个调水过程模型；利用Python语言对2个调水过程模型进行计算，确定不同运行阶段的闸泵切换方式、开启时刻及开启时长，得到流量与水位相结合的经济优且调水快的闸泵切换优化调度方案。结果表明，沟盘河水库初始水位为影响总运行费用及总调水时间的主要因素，闸泵切换优化调度方案可使运行费用降低20%,总调水时间缩短8%,提升了调水线路的经济效益与运行效率。     

繁忙船闸的船舶待闸时间分析与估算

为了反映内河船闸的服务质量,并为船闸工程的经济评价提供基础数据,以目前国内仅有的京杭运河施桥船闸多年运行实测资料为例,统计分析了繁忙船闸的船舶待闸时间特点,并基于G/G/1排队模型,建立了估算繁忙船闸船舶待闸时间的近似数学模型.结果表明:该繁忙船闸的船队待闸时间主要分布在16 h以内,单机船的待闸时间主要分布在6 h以内或者14～22 h之间;船舶待闸时间的长短不仅与其交通负荷有关,还与船舶到闸和过闸的离散程度有关;模型能够合理地给出船舶的平均待闸时间,而且船舶待闸时间的理论分布与实测数据吻合程度良好.说明该模型是可靠的,能够用来估算类似繁忙船闸的船舶待闸时间.     

三峡五级船闸运行级数及补水判断程序

三峡五级船闸是目前世界上规模最大的通航设施，船闸投入运行的级数需根据不同，下游水位的组合来确定。本文分析推地了在满足各闸室设计允许的最高，最低通航水位及输水闸门最高工作水头条件下，根据实测的上，下游水位判断运行级数，计算补水量的方法和数学模型，解决了监控系统自动生成船闸运行级数，自动判断补水及补水量计算等问题。     

基于混合智能算法的三峡水库汛限水位动态控制研究

为充分发挥三峡水库的防洪兴利效益,利用水文、气象预报,实施动态汛限水位控制运行具有重要的意义.考虑调度期实时防洪风险约束,建立实时调度与汛限水位动态控制模型,设计混合智能算法,对模型进行优化求解.利用宜昌站汛期实测日流量资料进行模拟调度,得到汛限水位动态控制结果.结果表明,汛限水位动态控制能权衡防洪风险与兴利关系,在一定条件下,适当提高水库运行水位,可以在保证防洪标准不变的前提下较大幅度提高水库的兴利效益.     

南水北调中线总干渠水力响应特征

该文针对南水北调中线工程总干渠安全运行及控制所关心的水力响应特征问题进行研究。利用南水北调中线电子渠道平台,对中线总干渠不同运行工况进行模拟计算,得到水位波动变化幅度、波动影响距离等水力响应参数的变化特征。结果表明:如无合适调控措施,参与操作的节制闸闸前后水位变化幅度大多超过0.15 m,波动影响距离在数百千米以上。对于同一节制闸,当闸门开度变化速率超过一定范围时,闸门附近水位变化速率趋近于一个定值。研究成果为南水北调中线总干渠控制运行提供了有益参考。     

基于子模型法的高拱坝导流底孔预应力闸墩三维有限元分析

高拱坝导流底孔预应力闸墩受力比较复杂且直接影响到坝体在施工和运行中的安全,对它进行三维(3D)有限元分析很有必要.本文以某高拱坝的6号导流底孔为研究对象,采用子模型法对其进行了全面地三维有限元分析,得到了其在3个典型工况下预应力闸墩主要部位的应力分布规律.计算结果表明:子模型法是分析孔口应力的有效途径;U型锚固体系改善应力状态具有较大的优势;预应力锚索的效果是显著的;在设计预应力锚索吨位时,应重点考虑施工期高水位时的情况;闸墩与坝体的结合处存在应力集中,可采取相应的加固措施.全部成果可为闸墩的设计提供参考和借鉴.     

淤泥对平面钢闸门启门力影响的数值仿真分析

为了准确模拟闸前泥沙淤积对平面钢闸门启门力的影响,将闸前泥沙考虑为由粗细颗粒组成的宾汉体,闸门在开启过程中,粗颗粒之间的碰触和相对滑动产生了摩擦剪切应力,而细颗粒之间的絮凝作用在闸门开启的瞬间提供了极限剪切应力,这两种剪切应力之和称为泥沙临界屈服应力.闸门启动时,必先克服临界屈服应力.基于VOF（volume of fluid）的三维非稳态两相流k T-εT模型,引入宾汉体模型,考虑泥沙临界屈服应力,建立起闸前泥沙淤积对平面钢闸门启门力影响的数值仿真模型,并应用该仿真模型计算了天津宁车沽防潮闸在闸前有泥沙淤积情况下的启门力,计算结果与实测资料吻合较好.     

关于船闸(连通器)放水时间的讨论

当船闸放水的时候,由于水位的高度在变化,流水孔的压强和水流的体积也在变化,因此,关于填满下游闸池水位的计算也就非常复杂,本文就两种不同的情况来解决这个复杂问题上游闸池水位不变和上游闸池水位下降.     

滑块式浮式系船柱设计与研究

为了保证船舶过闸的安全,国内所有已建或在建船闸的闸室都采用浮式系船柱,它是确保船舶在闸室充泄水过程中,起着保护船舶自身安全作用的,是一个随着水位变化能与船舶同步起伏的装置;目前,国内浮式系船柱的运行机构,都是采用滚轮作为运行方式的,其结构较复杂,存在易锈蚀、易松动、运行噪音大等缺点.滑块式浮式系船柱采用滑块作为浮式系船柱的运行机构,滑块材质采用高分子材料,具有结构简单、耐腐蚀、维护简便、运行阻力小、几乎无噪声等优点.     

仙女堡水电站桩基承载力有限元分析研究

为了论证桩基作为仙女堡水电站地基加固手段的理论的可行性,有必要计算桩基础承载力.以3#控河闸为例采用ANSYS建立了有限元模型,将三种水位与三种桩长组合成3种工况.计算结果表明三种水位工况下的变位及应力变化规律一致,且校核工况下变位及应力水平最高,其次为正常蓄水位,最次之为设计洪水位.天然工况下的地基沉降均超出了规范允许值,闸底板下游右侧铅直应力超过地基承载力,从理论上得出地基加固必要性.根据工程实际,对深厚覆盖层引起闸室的沉降、应力进行深入的研究,分析资料详细,可为类似工程提供借鉴经验.     

外秦淮河武定门闸上游偏流淤积成因及流态改善措施

针对南京市外秦淮河武定门闸上游偏流易淤问题,建立物理模型试验,结合实测资料和理论分析,对闸上游河道淤积成因进行了深入分析,并提出增建导流墙对闸前河道流态改善的措施。研究结果表明:受闸上游弯道影响形成偏流,闸前河道两侧产生左大右小两个明显回流区,导致左侧河床较右侧淤积明显;水闸常年运行,大部分时间闸前河道水流动力较弱,易形成缓流淤积。通过闸前设置导流墙,可以改变闸前河道流态,使左右两侧回流区范围显著减小。     

多闸坝河网水系TMDLs计算模型构建及应用

针对多闸坝河网水流控制特征,以MIKE11 HD(hydrodynamic)和AD(advection/dispersion))模块的水量-水质模型为基本模块,通过水位-流量关系及其水位控制,体现闸坝调度对河网水动力及其水质的影响,构建了多闸坝河网水系最大日负荷(Total Maximum Daily Loads Process,TMDLs)计算系统,并应用于淮河流域江苏省沂沭泗水系.利用2006年—2008年及2010年水文、水质监测资料对计算模型的率定与验证.验证结果为:计算区域板浦、沭阳闸下站水位计算值和实测值平均相对误差为0.45%和0.91%,仲集和沭阳(南泓)站CODMn和氨氮的计算值和实测值平均相对误差分别为4%~7.1%和6.5%~20.4%.以2010年(平水年)为设计水文条件,研究区内主要水质受限水体CODMn与氨氮最大日负荷年总计值分别为25276.85吨和1932.56吨.     

有闸分汊河口的水动力模拟

将水工建筑物的过流公式离散成与Saint-Venant方程离散式相同的格式，用节点水位控制法建立了能应用于有闸分汊河口水动力研究的一维河网数学模型。计算表明，增长导流墙和减少闸下淤积能减小导流墙末合流处的横向水位差，从而减小合流处的横向流速，调顺水流方向，消减导流墙两侧水流的相互顶托。计算所得的分流量及分流比能为枢纽的合理布局，包括闸孔尺度及其数量，提供依据，模型还可根据水利枢纽实际要求，提供闸门调控设计。     

基于CFD的自动计量弧形闸门水力特性三维数值模拟

建立了自动计量弧形闸门不同开度时,闸门安装段流体计算域的三维模型,采用VOF模型及标准k-ε模型对过闸水流进行三维数值模拟.获得过闸水流的流动特性和渠底所受压力曲线,分析其流速、流场、压力分布的变化规律,提出了闸门安装段渠道结构的改进方案并进行仿真.结果表明:与现有弧形闸门安装渠道相比,修建消力池、加长闸后矩形明渠的长度,不仅可以削弱水流对渠道的冲刷与破坏作用,减少闸门底部泥沙堆积,而且闸门前后渠底所受压力平稳区的水压波动范围减小,有利于提高水位测量精度.