水力发电学报
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2018年 37卷 3期
刊出日期：2018-03-25
当期目录
当期目录
1
基于GPS-UWB组合定位技术的缆机施工防碰研究
贺俊，赵春菊，周宜红，胡超
DOI: 10.11660/slfdxb.20180301
防止高拱坝缆机施工过程中碰撞事故的发生对工程施工安全意义重大。在解释缆机自身结构、运行方式、施工环境等特点的基础上，阐明了缆机运动状态与避免碰撞间的本质关系；结合GPS与UWB，通过定位精度及遮挡试验研究，设计了满足缆机施工定位精度要求的组合定位系统；以定位结果为依据制定缆机碰撞检测方法，并建立距离和时间预警模型；通过模型试验检验了防碰系统的实用性和可靠性，试验结果表明，该防碰系统能够在缆机运行过程中对可能发生的碰撞情况进行检测并及时作出预警。
2018 Vol. 37 (3): 1-10 [
摘要
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11
ANSYS优化方法在拱坝封拱温度设计中的应用
孟力，梅明荣
DOI: 10.11660/slfdxb.20180302
ANSYS优化方法对不同的问题有着不同的计算效率。首先以弹性力学半圆环温度应力为例，研究在不同内半径下，圆环温度应力最小的优化问题。通过设置三组初始温度来比较不同优化方法的精度和收敛性，计算结果表明：零阶法+一阶法的组合优化效果最好。以此为基础结合建立拱坝封拱温度优化计算模型，选取三种方法进行求解，计算表明上述组合法可以得到拱坝最优封拱温度，在特定条件下零阶法也能满足要求。
2018 Vol. 37 (3): 11-17 [
摘要
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18
抽水蓄能电站开挖施工仿真研究
王仁超，李世鹏，徐跃明，曾建平
DOI: 10.11660/slfdxb.20180303
抽水蓄能电站施工往往具有地形复杂、施工空间狭窄、道路布置难、开挖与坝体填筑相互制约的特点。针对抽水蓄能电站施工特点和仿真三维建模的需要，基于AutoCAD二次开发技术，提出了一种开挖施工仿真辅助建模方法，以实现对开挖三维实体模型相关位置、形体、爆破参数的提取；同时根据一般抽水蓄能电站开挖与填筑关系，综合考虑地形地貌、出渣道路影响，建立一种描述抽水蓄能电站开挖施工特点的仿真模型，并基于Visual Studio C#.Net平台开发了相应仿真系统。最后通过一个工程实例验证了抽水蓄能电站开挖仿真系统的有效性和可行性。
2018 Vol. 37 (3): 18-27 [
摘要
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28
黄河流域未来水资源时空变化
周帅，王义民，郭爱军，张瑞涵，刘启松
DOI: 10.11660/slfdxb.20180304
为了深入了解黄河流域未来水资源变化的时空分布规律，把Mann-Kendal方法（M-K）趋势分析的功能与重标极差分析（R/S）持续性分析的功能相结合，通过分析流域未来气象要素变化特征，揭示黄河流域未来水资源时空丰枯变化特征。结果表明，在年际方面，黄河中游南部区域（占流域面积5.36%）未来水资源供给形势乐观，黄河中游的中部区域（占流域面积29.42%）未来缺水风险增加。在年内方面，黄河流域未来水资源季节供给形势空间分布差异显著。随着春夏秋冬季节的演变，黄河中游中部和南部愈加湿润，北部愈加干旱；黄河流域水资源供给情况相同的区域相对集中。
2018 Vol. 37 (3): 28-39 [
摘要
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40
基于动力波法的高效高分辨率城市雨洪过程数值模型
侯精明，王润，李国栋，李桂伊
DOI: 10.11660/slfdxb.20180305
基于物理定律的动力波方法，提出了高效高分辨率城市雨洪过程数值模型。该模型采用Godunov格式的有限体积法数值求解二维浅水方程，输入可表征真实城市地表的高分辨率地形数据，以精确模拟城市降雨径流及内涝积水过程。同时引入图形处理器（GPU）加速计算技术，在不降低精度的条件下大幅提升计算速度。并将模型用于模拟陕西省西咸新区内涝积水过程，发现计算结果与实测数据吻合度高，五处积水面积均实现较为精确地计算。证明该模型可快速准确模拟较大范围高分辨率城市雨洪过程，且能提供分析涝灾成因及计算污染物输移的流速，克服了常规水文模型的缺陷。可见，研究对指导城市规划及可持续性城市雨洪管理如海绵城市建设具有重要的应用价值。
2018 Vol. 37 (3): 40-49 [
摘要
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50
过渡阶梯体型对一体化消能工水力特性的影响
董丽艳，杨具瑞，李书曌
DOI: 10.11660/slfdxb.20180306
宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工有效地解决了我国高坝泄洪建筑物在高水头、大单宽流量下的高速水流问题，但仍然存在空蚀破坏的问题。通过对三种过渡阶梯与阿海原工况共4种方案下Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行水工模型试验，对比分析其水力特性，结果表明：①各方案反弧段内的最大时均压强出现在方案一中，相比有过渡衔接方式的三种方案的最大时均压强增加了3.3%；②过渡阶梯体型对台阶面负压影响较大，最大负压均出现在第二台阶立面凸角上缘，四个方案中，方案三最大负压最小，为-0.33 kPa；③从消能方面来看，方案一的消能率最低，为51.71%，方案三的消能率最高，为52.77%，比方案一增加了2.05%。
2018 Vol. 37 (3): 50-58 [
摘要
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59
基于Sobol方法的SWMM模型参数敏感性分析
常晓栋，徐宗学，赵刚，李怀民
DOI: 10.11660/slfdxb.20180307
SWMM模型已被广泛应用于城市区域雨洪模拟及海绵城市设计，为提高参数优化效率，减少模型不确定性的影响，有必要对参数敏感性进行定量分析。以济南市黄台桥排水片区为例，选用基于方差分解的Sobol方法，定量分析不同量级洪水情景及不同预报精度评价标准下SWMM模型参数的敏感性。研究结果表明：（1）SWMM模型参数的敏感性在不同量级洪水和不同目标函数的情况下表现均不相同，模型参数具有较大的不确定性；（2）不透水区洼蓄量、最小入渗率、河道及管道糙率系数对Nash效率系数作用显著；（3）洪水量级相对较小时，SWMM模型参数间相互作用现象较为明显，但随着洪水量级的增加，参数相互作用逐渐减小；（4）Sobol方法能定量分析模型参数敏感性及参数间相互作用，适用于城市水文模型敏感性相关研究。
2018 Vol. 37 (3): 59-68 [
摘要
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69
天津牡蛎礁特别保护区生态系统健康研究
徐晓甫，王群山，郑德斌，高燕，郭彪
DOI: 10.11660/slfdxb.20180308
随着海岸带开发的不断增强，天津市大神堂牡蛎礁海洋特别保护区的生态环境面临严重威胁。为了全面准确地表述该区域的生态状况，充分考虑牡蛎对重金属的生物富集作用、保护区生态系统的脆弱性及捕捞行为对牡蛎可持续增长的重要影响，构建了牡蛎礁特别保护区生态系统健康评价体系，并基于模糊综合模型对该区域的生态系统健康进行了评价和研究。结果表明，特别保护区的底质与水体处于健康状态，生物环境和捕捞压力处于不健康状态，整体健康状态不容乐观；在时空分布状态上，存在远海优于近岸、南部优于北部，并随时间的推移整体改善的趋势。所构建的牡蛎礁特别保护区生态系统健康评价体系是对现有评价体系的有益改进和补充。
2018 Vol. 37 (3): 69-77 [
摘要
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78
缓变曲线改善120°弯道水沙运动的三维数值模拟
魏炳乾，裴传康，龚秀秀，严培
DOI: 10.11660/slfdxb.20180309
人工河道的弯道段大多曲率单一，水流动力轴线的曲率与弯道曲率难以匹配，导致了流固分离和弯道二次流的产生。针对弯道曲率突变问题，引入两种插有缓变曲线的弯道形式，研究缓变曲线对120°弯道水沙特性的影响和流态的改善。运用MIKE 3水动力模型和泥沙输移模型对单曲线弯道、缓圆缓弯道和对称凸弯道进行数值模拟，对比分析不同弯道型式在冲刷和定床两种工况下的近底流速、水面横比降和超高、弯道环流和河床冲淤变形。研究结果表明：插有缓变曲线的两种弯道可以遏制弯道中水体湍动的发展，改善120°弯道水流的流态，能够有效减小弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的现象，缓解河床的冲淤变形。
2018 Vol. 37 (3): 78-87 [
摘要
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88
带变顶高尾水洞水电机组调速器功率模式优化研究
付亮
DOI: 10.11660/slfdxb.20180310
通过现场实测及数值仿真研究了带变顶高尾水洞水电机组调速器功率模式下的一次调频及负荷调节过渡过程。提出了一种基于“三区模型”的带变顶高尾水隧洞小波动过渡过程的仿真方法，并推导了状态方程组，基于调速器PLC程序及参数实测建立了水轮机调速器功率模式的仿真模型，利用现场真机试验对仿真模型进行了验证。针对带变顶高尾水隧洞水电机组的特点，从降低功率反调，提高调功速度，保证功率调节过程稳定性的角度出发，采用了“慢-快-慢”的“三段式调节”的方式改善调速器功率调节的动态品质。通过数值仿真对调速器的功率调节策略及参数进行了优化，优化后机组功率调节速度明显提高，功率反调值降低，改善了调速器功率模式下的一次调频及负荷调节过渡过程性能。
2018 Vol. 37 (3): 88-95 [
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96
低比转速离心泵叶轮瞬态空化特性分析
吴登昊，吴振兴，周佩剑，牟介刚，谷云庆，陈莹
DOI: 10.11660/slfdxb.20180311
低比转速离心泵叶轮流道宽度较小且较为狭长，流道进口容易被空化状态下的空泡堵塞，诱发严重的振动和噪声，不利于机组安全稳定运行。针对比转速为45的离心泵，采用RNG k-ε湍流模型与Zwart-Gerber- Belamri空化模型，对不同工况下的非定常空化流场进行模拟计算，准确预测了不同工况下的空化余量-扬程曲线，并得到空化初生位置与空泡的时空演变和径向力变化。计算结果表明，不同工况下由空化产生空泡的非定常特性也有所不同。在小流量（0.8Qd）工况下发现，NPSH = 4.75 m时在一个叶轮旋转周期内各个流道的空泡区变化规律明显，空泡区变化表现为收缩、稳定、再生长；NPSH = 3.61 m时空区泡的变化规律为5个叶轮旋转周期，叶片上的空泡区经历稳定—分离—生长—局部脱落周而复始的过程。在设计工况（1.0Qd）下，叶轮中的空泡分布相对均匀，而大流量（1.2Qd）工况下空泡的分布并不对称，出现了交替堵塞的现象。未发生空化时，叶轮径向力分布呈规则的五角星状，随空化发展，叶轮内非对称分布的空泡区致使径向力分布紊乱。
2018 Vol. 37 (3): 96-105 [
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球应力循环条件下堆石料变形特性的试验研究
张延亿，邓刚，温彦锋，徐泽平，于沭，赵致艺
DOI: 10.11660/slfdxb.20180312
库水位反复升降过程中堆石体的应力状态表现为偏应力基本恒定、球应力往复循环变化，为探求球应力循环条件下堆石料的变形规律，以取自现场的堆石材料为研究对象，通过控制孔隙水压力来实现球应力增大–减小的低速循环应力路径静力三轴试验。研究结果表明：偏应力恒定、球应力循环条件下，体应变随球应力的减小而增大，随球应力增大而减小，总体表现出随循环周次向体积收缩发展的变化规律，循环周次对累积体应变的影响较小；剪应变的发展受应力条件的影响较为显著，有效球应力减小时或增幅较缓，或在第1循环周次内突增，有效球应力增加时，剪应变增幅较缓；累积剪应变与初始应力比和试验过程中的动态应力比有关；土样可能存在类似临界状态线且处于其下方的“转折状态线”，当土样应力变化状态处于“转折状态线”与临界状态线之间的区域内时，土样状态将产生显著变化。
2018 Vol. 37 (3): 106-112 [
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113
2 kW波力发电液压动力输出系统设计和仿真分析
岳旭辉，陈启卷，许志翔，余航，叶洲
DOI: 10.11660/slfdxb.20180313
动力输出（PTO）系统是波浪能转换装置（WEC）的重要组成部分。提出一种新型波力发电液压PTO系统，该系统在典型液压PTO系统的基础上增设了调速阀和溢流阀，用于调节工作流量和输出功率。由此设计了2 kW波力发电液压PTO系统，并在AMESim中仿真分析系统可行性。结果表明：设计波况下，该PTO系统能够连续、稳定地输出2 kW电功率，蓄能器稳压稳流作用明显，补油箱能及时补油并保持油压流量稳定，单向阀可实现“整流”；大波况下，通过调速阀节流，溢流阀排泄多余流量，该PTO系统能够维持2 kW功率输出。仿真表明，该波力发电液压PTO系统可行。
2018 Vol. 37 (3): 113-120 [
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