CN111005347B - 一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，包括多功能模拟单元、流速监测装置和控制平台；其中多功能模拟单元包括库区模拟水槽、拦污栅、叠梁门、联系梁和进水口管道；流速监测装置用于监测叠梁门顶部流速、联系梁处的流速、进水口管道处的流速，并将监测数据发送至控制平台；控制平台基于监测数据调节所述拦污栅和所述叠梁门的间距。本发明还提供上述系统的运行方法，通过量化拦污栅—叠梁门合理设计间距，以有效改善水电站进水口水流流态，减小水流紊动强度，降低漩涡尺度。本发明技术可靠，易于实施，消涡范围广，消涡效果明显，可以代替消涡的工程措施，提高了水电站发电效率和保障了机组运行安全。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统。
技术背景
水库水体建成运行后，深水水体的水温趋向于沿深度分层。取水过程中，深水下泄水温会产生显著影响，尤其会对下游生态环境造成不利影响。进水口采取叠梁门是改善下泄水温过低的一种工程措施，现已应用于一些实例工程中。
使用叠梁门后水电站的进水口取水断面缩小，进口高程抬高，使得流动过程复杂无序，导致产生大量漩涡。进水口漩涡可能会增强结构振动，增大水能损失，降低发电效率，甚至影响发电安全。因此，有必要采用消涡措施对进口水流进行改善，以减小水流波动，降低旋涡尺度。在实际工程中通常单独设计建造消涡设施和装置，如专利CN107641972A，但其建设造价非常高，使用条件苛刻，并且消涡范围有限，在工程实际效果并不如预期。
发明内容
发明目的：针对现有的技术缺陷，提供一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，能针对不同的来水工况，优化拦污栅—叠梁门间距设计，通过调节拦污栅-叠梁门间距改善水电站进水口水流流态，减小水流紊动强度，降低漩涡尺度，提高水电站发电效率和保障机组运行安全，有着良好的社会效益和经济效益。
本发明的另一目的在于提供上述水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法。
技术方案：本发明的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，包括：多功能模拟单元、流速监测装置和控制平台；所述多功能模拟单元包括库区模拟水槽、拦污栅、叠梁门、联系梁和进水口管道；所述库区模拟水槽具有连接水源的供水管道；所述拦污栅和所述叠梁门间隔布置；所述水源的水经由所述供水管道进入库区模拟水槽，并依次经过拦污栅、叠梁门和联系梁到达所述进水口管道；所述供水管道上安装有供水泵和电磁流量计，以分别控制和测量试验上游供水流量；所述进水口尾端安装有流量控制阀门，以控制试验下游下泄流量；所述流速监测装置用于监测叠梁门顶部流速、联系梁处的流速、进水口管道处的流速，并将监测数据发送至所述控制平台；所述控制平台基于所述监测数据分别计算叠梁门顶、联系梁、进水口管道处的三维旋涡强度，并基于计算结果调节所述拦污栅和所述叠梁门的间距。
进一步地，所述多功能模拟单元的长度比尺λl、流速比尺λv和流量比尺λQ满足以下关系：λv＝λl 0.5，λQ＝λ1 2.5；所述长度比尺表明所述多功能模拟单元与实际对应物的长度比例为1：λl；其中λl为任意正数。
进一步地，所述供水泵、所述电磁流量计和所述流量控制阀门分别由所述控制平台通过无线信号控制，以调节或测量流量。
进一步地，所述库区模拟水槽中还设有稳水格栅；所述稳水格栅下半部分为高度为h的挡板，上半部分为由栅条组成的栅板，且
其中，q为试验下游下泄流量，V为试验下游下泄流速，L为库区模拟水槽的宽度，H为试验上游模拟水位高度，n0为关于挡板高度的不确定系数。
进一步地，流速监测装置包括声学多普勒流速仪和多参数测量支架；所述声学多普勒流速仪安装在所述多参数测量支架上；所述多参数测量支架由控制平台通过无线信号控制，以带动所述多普勒流速仪进行移动；所述声学多普勒流速仪通过无线信号将所述监测数据传输到所述控制平台。
进一步地，所述库区模拟水槽的侧壁上设有拦污栅槽和叠梁门槽；拦污栅槽和叠梁门槽内分别安装有门槽轨道；拦污栅和叠梁门底部均安装有滚轮，以通过所述滚轮沿所述门槽轨道分别在所述拦污栅槽和叠梁门槽内移动；所述滚轮由所述控制平台通过无+线信号控制移动。
进一步地，所述叠梁门可以根据试验要求安装指定层数，每一层均可拆卸和安装。
进一步地，所述监测数据包括在采样间隔为Δt的一个监测周期T范围内，对叠梁门顶部、联系梁和进水口管道处的括纵向流速Ux，横向流速Uy和垂向流速Uz多次采样后的平均值。
上述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，包括如下步骤：
(S1)基于各物理量的比尺计算所述供水流量和所述下泄流量，结合所述电磁流量计通过控制平台对所述供水泵和流量控制阀门进行调节；在叠梁门顶部、联系梁处、进水口管道处安装流速监测装置；
(S2)通过所述流速监测装置实时监测叠梁门顶，联系梁处、进水口管道处的流速，包括纵向流速Ux、横向流Uy、垂向流速的Uz；其中，监测的采样时间间隔记为Δt，监测周期记为T；所述流速监测装置计算各监测点处的Ux、Uy、Uz在监测周期T内的多次采样的平均值，分别记为ux、uy、uz，并将ux、uy、uz作为监测数据发送给所述控制平台；
(S3)控制平台基于所述监测数据分别计算叠梁门顶、联系梁、进水口管道处的三维旋涡强度；具体包括：
其中，Q为当前监测周期内对应监测点处的三维旋涡强度；
(S4)控制平台基于步骤(S3)中的计算结果调节所述拦污栅和所述叠梁门的间距；具体包括：
判断当前监测周期内各监测点处的三维旋涡强度是否均小于预定阈值：若均小于所述预定阈值，则拦污栅-叠梁门间距优化完成；否则，使所述拦污栅和所述叠梁门的间距减少特定距离，计算下一周期T内各监测点处的三维旋涡强度指标，直至各监测点处的三维旋涡强度指标均小于所述预定阈值；减少的所述特定距离通过下式计算：
其中，QL为对应监测点处的三维旋涡强度阈值；K1、K2是关于间距和漩涡强度的不确定系数，参数K1，K2通过原型观测和模型试验确定。
工作原理：若以水电站进水口管道端部放置叠梁门后的水流流动示意图(见图1)为例：L1为水流通过叠梁门顶的流动示意图；L2为水流通过叠梁门顶后水平流动过渡到竖直向下的流动示意图；L3为水流竖直向下流动再过渡到水平方向的流动示意图。L1至L3即为水库水流通过拦污栅，通过叠梁门，再通过进口管道的流动过程。经过大量创造性的实验研究发现：这三个流动过程即是最易产生漩涡的三个流动阶段，而这三个流动阶段主要受到拦污栅-叠梁门间距的影响。进一步地，通过对拦污栅-叠梁门间距的调节，减少这三个流动阶段的三维旋涡强度，从而达到在水电站进水口前增加消涡范围的效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、通过构造实验平台模拟真实水电站进水口前水流结构并进行优化，能增加消涡范围，从而在避免建设昂贵的消涡工程设施同时，提高水电站发电效率和保障机组运行安全，具有显著的社会和经济效益；
2、通过在库区模拟水槽中加入稳水格栅，能够保证供水泵抽出的水流通过库区模拟水槽时能够趋近于静水位，保证库区模拟水槽与进水口管道的衔接段水位的平稳、消除衔接段水流波动。
附图说明
图1为水电站取水进水口管道处的流动示意图；
图2为本多功能试验系统的剖视图；
图3为本多功能试验系统的俯视图；
图4为未优化拦污栅—叠梁门间距的进水口流线图；
图5为优化拦污栅—叠梁门间距后的进水口流线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围不局限于所述的实施例。
本发明的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统包括多功能模拟单元、流速监测装置、控制平台。如图2和图3，多功能模拟单元1包括库区模拟水槽1、拦污栅2、叠梁门3、联系梁4和进水口管道5。根据试验要求、模型管道选材及试验场地等因素，该多功能模拟单元中各物理量的模型比尺如表I所示：
表I
其中：λl为长度比尺，λv为流速比尺，λQ为流量比尺。本实施例中，取长度比尺λl＝33.3，即多功能模拟单元中库区模拟水槽1、拦污栅2、叠梁门3、联系梁4的集合尺寸与对应原型的比例关系为1:33.3。相应地，流速比尺λv和流量比尺λQ分别为5.77和6398.98。
按照上述比例关系，本实施例中，库区模拟水槽1为尺寸为2×2m×1m(长×宽×高)的有机玻璃制的开敞式水槽，正面和侧面均具有良好的透视性，便于流态观测。库区模拟水槽1设有直径为10cm的PVC供水管道12，为整个多功能实验平台提供实验用水。6寸供水泵6和Focmag电磁流量计7均安装在PVC供水管道12上。电磁流量计7可以无线地将测量到的流量数据发送至控制平台4，控制平台4可以根据实验要求无线地控制供水泵6，以设定流量。供水泵6和电磁流量计7由控制平台4通过无线信号控制。库区模拟水槽1入流口下游1m处安装2个稳水格栅9，稳水格栅9的尺寸为宽度为1m，其下半部分为高40cm的挡板。稳水格栅9可以缓冲入流的射流作用，减小水流波动，有利于形成平稳的入流条件，从而保证供水泵6抽出的水流流到模拟库区能够趋近于静水位，进而有益于模拟库区与进水口的衔接段水位的平稳、消除衔接段水流波动导致的误差。稳水格栅9上半部分为宽度2cm，高度60cm间隔为1cm栅条组成栅板，其目的是保证水流的平顺、均匀。其中，稳水格栅下半部分挡板的高度h的选取依据以下公式计算得到：
其中，q为试验下游下泄流量，V为试验下游下泄流速，L为库区模拟水槽1的宽度，H为试验上游模拟水位高度，n0为关于挡板高度的不确定系数，由原型观测和模型试验确定。
拦污栅2和所述叠梁门3间隔布置。上述多功能试验系统还包括拦污栅槽10和叠梁门槽11。拦污栅2安装在拦污栅槽10中，叠梁门3安装在叠梁门槽11中。拦污栅2和叠梁门3均由有机玻璃制作。拦污栅2设计为V形拦污栅。叠梁门3中可以根据试验要求安装指定层数，每一层均可拆卸和安装。拦污栅槽10和叠梁门槽14内分别安装有门槽轨道13，拦污栅2和叠梁门3的底部设有滚轮14，拦污栅2和叠梁门3均可以通过滚轮14沿门槽轨道13移动。其中，滚轮14由控制平台4通过无线信号控制移动。
联系梁4是叠梁门3和进水口管道5间的结构梁，为有机玻璃制作。流量控制阀门8安装在进水口管道5末尾，控制平台可以按试验水位和流量的要求，率定出流流量，通过无线通信方式控制流量控制阀门8，以控制下泄流量。
流速监测装置用于监测叠梁门3顶部流速、联系梁4处的流速、进水口管道5处的流速，并将监测数据发送至控制平台。流速监测装置包括声学多普勒流速仪15和多参数测量支架16。声学多普勒流速仪15安装在多参数测量支架16上。多参数测量支架16可以由控制平台通过无线信号控制，以带动多普勒流速仪15进行移动。声学多普勒流速仪15通过无线信号将监测数据传输到控制平台。
上述多功能试验系统的运行方法包括如下步骤：
步骤1：试验准备阶段：
根据试验水位和表I中的比尺计算库区模拟水槽1的试验所需供水流量，再基于电磁流量计7发送的流量数据通过控制平台调节供水泵6，以达到试验所需上游供水流速和流量。根据试验水位和表I中的比尺计算下泄流量，通过控制平台对进水口管道5管道末尾的流量控制阀门8进行调节，从而达到试验所需下游下泄流量。在叠梁门3顶、联系梁4处，进水口管道5等关键位置分别安装多参数测量支架16，将声学多普勒流速仪15安装在对应多参数测量支架16上，并检查工作状态是否正常。
步骤2：流速监测：
启动多功能声学多普勒流速仪15，实时监测叠梁门3顶部、联系梁4处，进水口管道5处的流速，包括实时监测各监测点处的纵向流速Ux，横向流速Uy、垂向流速的Uz。采样时间间隔Δt＝0.02s，监测周期T＝60S。从流速仪读取60S内多次采样的纵向流速Ux，横向流速Uy、垂向流速Uz平均值，分别记为ux，uy、uz。
步骤3：漩涡强度计算：
根据实测数据计算的三维涡旋强度指标准则，用以量化局部流场的紊动强度。该准则是一个表征局部旋转率与拉伸率相对大小的量。通过该准则可以推导出三维旋涡强度Q的数学表达式为：
从上式可知，通过一个周期监测到的流速数据可以分别计算叠梁门顶、联系梁、进水口处的三维旋涡强度Q。
步骤4：调节拦污栅-叠梁门间距
设定三维旋涡强度阈值，记为QL。若Q>QL，控制单元4控制拦污栅-叠梁门调节单元3，拦污栅-叠梁门间距由D减少d。
初始间距D由设计规范和结构稳定计算确定并通过模型比尺换算而来。K1、K2是关于间距和漩涡强度的不确定系数，通过原型观测和模型试验确定。
通过调节拦污栅—叠梁门间距，拦污栅-叠梁门间距减小，L1，L2，L3分段的水流流态均发生改善。
在L1阶段：未调节叠梁门—拦污栅间距时候的叠梁门顶流速为V1，调节拦污栅-叠梁门间距减小后的门顶流速为V2。调节拦污栅—叠梁门间距减小后的叠梁门位置更加靠近上游，因此V2<V1，因此该流动过程中水流的流速梯度也减小，各流层之间的相对运动也减小，流层的旋转变弱，漩涡尺度因此变小。
在L2阶段：未调节拦污栅-叠梁门的叠梁门与进水口胸墙间距为D1。水流通过叠梁门后竖向流动的过流面积为A1。调节拦污栅-叠梁门间距减小后，叠梁门与进水口胸墙间距为D2，水流通过叠梁门后竖向流动的过流面积为A2。因为调节拦污栅-叠梁门间距减小后，叠梁门位置向上游靠近，即D1<D2，A1<A2。当过流断面增大时，水域水流流速梯度减小，该流动过程中水流的流速梯度也减小，各流层之间的相对运动也减小，流层的旋转变弱，漩涡尺度因此变小。
在L3阶段：水流通过叠梁门进入进水口管道是流动过渡到水平流动的过程。未调节拦污栅-叠梁门间距时水流流动过程的曲率为ρ1，调节拦污栅-叠梁门间距减小后，此过程水流流动过程的曲率为ρ2。拦污栅-叠梁门间距减小后，D1<D2，因此ρ1<ρ2。当此流动过程的曲率变小时候，该流动过程中水流的流速梯度也减小，各流层之间的相对运动也减小，流层的旋转变弱。
调节拦污栅-叠梁门间距减小之后，随着叠梁门迁移，L1，L2，L3分段水流流动的过程中水流的流速梯度下降，水流的紊动强度下降，各流层之间的相对运动减小，流层之间的旋转变弱，漩涡尺度因此变小。
计算调节拦污栅—叠梁门间距后一个周期T的Q，若Q≤QL，则拦污栅-叠梁门间距优化完成。若Q>QL，控制单元继续调节拦污栅-叠梁门间距减小，计算下一周期T的Q，直至Q≤QL。
若L1，L2，L3处三维旋涡强度Q均满足要求，则达到消涡效果，拦污栅-叠梁门间距优化完成。
图4和图5分别为未优化拦污栅-叠梁门间距的进水口流线云图和优化拦污栅—叠梁门间距后的进水口流线云图。图4的流动过程中水流紊动强度较大，在叠梁门顶，联系梁处，进水口处均有漩涡产生。图5的流动过程中水流紊动强度小，水流平顺，在叠梁门顶，联系梁处，进水口处均没有产生漩涡，消涡效果显著。
在对多功能试验平台的拦污栅-叠梁门间距进行调节优化后，可以根据表I的长度比尺计算水电站现场拦污栅-叠梁门间距。
表II为拦污栅-叠梁门间距后优化前后现场试验结果对比。
表II
如表II所示，通过水电站现场试验，拦污栅-叠梁门间距5优化后叠梁门顶、联系梁处、进水口处的旋涡强度均下降至阈值以下，水电站电能损失率下降了17％，提高了发电效率，带来巨大的经济效益。
综上，本发明通过设计一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，使之能够按照要求模拟不同水位、不同流量、不同拦污栅-叠梁门间距、不同叠梁门层数的工况；同时，提出一套优化拦污栅-叠梁门间距已实现水流结构的方法，为实际工程中拦污栅—叠梁门间距提供设计参考。本发明一方面将避免建设昂贵的消涡工程设施，另一方面增加了消涡范围，最终提高水电站发电效率和保障机组运行安全。
上述实例并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，所述水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统包括：多功能模拟单元、流速监测装置和控制平台；
所述多功能模拟单元包括库区模拟水槽(1)、拦污栅(2)、叠梁门(3)、联系梁(4)和进水口管道(5)；所述库区模拟水槽(1)具有连接水源的供水管道(12)；所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)间隔布置；所述水源的水经由所述供水管道(12)进入库区模拟水槽(1)，并依次经过拦污栅(2)、叠梁门(3)和联系梁(4)到达所述进水口管道(5)；所述供水管道(12)上安装有供水泵(6)和电磁流量计(7)，以分别控制和测量上游供水流量；所述进水口管道(5)尾端安装有流量控制阀门(8)，以控制下游下泄流量；
所述流速监测装置用于监测叠梁门(3)顶部流速、联系梁(4)处的流速、进水口管道(5)处的流速，并将监测数据发送至所述控制平台；
所述控制平台基于所述监测数据分别计算叠梁门(3)顶、联系梁(4)、进水口管道(5)处的三维旋涡强度，并基于计算结果调节所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)的间距；
所述运行方法包括如下步骤：
(S1)基于各物理量的比尺计算所述供水流量和所述下泄流量，结合所述电磁流量计(7)通过控制平台对所述供水泵(6)和流量控制阀门(8)进行调节；在叠梁门(3)顶部、联系梁(4)处、进水口管道(5)处安装流速监测装置；
(S2)通过所述流速监测装置实时监测叠梁门(3)顶，联系梁(4)处、进水口管道(5)处的流速，包括纵向流速Ux、横向流Uy、垂向流速的Uz；其中，监测的采样时间间隔记为Δt，监测周期记为T；所述流速监测装置计算各监测点处的Ux、Uy、Uz在监测周期T内的多次采样的平均值，分别记为ux、uy、uz，并将ux、uy、uz作为监测数据发送给所述控制平台；
(S3)控制平台基于所述监测数据分别计算叠梁门(3)顶、联系梁(4)、进水口管道(5)处的三维旋涡强度；具体包括：
其中，Q为当前监测周期内对应监测点处的三维旋涡强度；
(S4)控制平台基于步骤(S3)中的计算结果调节所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)的间距；具体包括：
判断当前监测周期内各监测点处的三维旋涡强度是否均小于预定阈值：若均小于所述预定阈值，则拦污栅-叠梁门间距优化完成；否则，使所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)的间距减少特定距离，计算下一周期T内各监测点处的三维旋涡强度指标，直至各监测点处的三维旋涡强度指标均小于所述预定阈值；减少的所述特定距离通过下式计算：
其中，QL为对应监测点处的三维旋涡强度阈值；K1、K2是关于间距和漩涡强度的不确定系数，参数K1，K2通过原型观测和模型试验确定。
2.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，其特征在于，所述多功能模拟单元的长度比尺λl、流速比尺λv和流量比尺λQ满足以下关系：λv＝λl 0.5，λQ＝λ1 2.5；所述长度比尺表明所述多功能模拟单元与实际对应物的长度比例为1：λl；其中λl为任意正数。
3.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，其特征在于，所述供水泵(6)、所述电磁流量计(7)和所述流量控制阀门(8)分别由所述控制平台通过无线信号控制，以调节或测量流量。
4.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，其特征在于，所述库区模拟水槽(1)中还设有稳水格栅(9)；所述稳水格栅(9)下半部分为高度为h的挡板，上半部分为由栅条组成的栅板，且
其中，q为试验下游下泄流量，V为试验下游下泄流速，L为库区模拟水槽(1)的宽度，H为试验上游模拟水位高度，n0为关于挡板高度的不确定系数。
5.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，其特征在于，流速监测装置包括声学多普勒流速仪(15)及其配套的多参数测量支架(16)；所述声学多普勒流速仪(15)安装在所述多参数测量支架(16)上；所述多参数测量支架(16)由控制平台通过无线信号控制，以带动所述多普勒流速仪(15)进行移动；所述声学多普勒流速仪(15)通过无线信号将所述监测数据传输到所述控制平台。
6.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，其特征在于，所述库区模拟水槽(1)的侧壁上设有拦污栅槽(10)和叠梁门槽(11)；拦污栅槽(10)和叠梁门槽(11)内分别安装有门槽轨道(13)；拦污栅(2)和叠梁门(3)底部均安装有滚轮(14)，以通过所述滚轮(14)沿所述门槽轨道(13)分别在所述拦污栅槽(10)和叠梁门槽(11)内移动；所述滚轮(14)由所述控制平台通过无线信号控制移动。
7.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，其特征在于，所述叠梁门(3)可以根据试验要求安装指定层数，每一层均可拆卸和安装。
8.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，其特征在于，所述监测数据包括在采样间隔为Δt的一个监测周期T范围内，对叠梁门(3)顶部、联系梁(4)和进水口管道(5)处的括纵向流速Ux，横向流速Uy和垂向流速Uz多次采样后的平均值。
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