水力发电学报
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2020年 39卷 1期
刊出日期：2020-01-25
1
宽尾墩消力池水动力及调控响应特性研究
练继建, 边玉迪, 李会平, 叶德震
DOI: 10.11660/slfdxb.20200101
基于景洪水电站1:100的物理模型，对Y型宽尾墩消力池的水动力及调控响应特性进行研究，主要研究了水垫厚度、单宽流量、开孔方式对动水压强的影响。研究发现：时均压强主要受水垫厚度控制而受单宽流量的影响不大，时均压强随水垫厚度的增加而增加；脉动压强同时受水垫厚度和单宽流量控制，脉动压强随水垫厚度增加而减小、随单宽流量增大而增大；动水压强随开孔方式的改变而变化，在试验的开孔方式下，表孔由间隔开启变为相邻开启，对表孔中线的脉动压强最大值、闸墩中线的脉动压强最大值均有削弱的作用。
2020 Vol. 39 (1): 1-11 [
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12
光滑矩形明渠二次流特性研究
景思雨, 杨文俊, 陈越
DOI: 10.11660/slfdxb.20200102
明渠中二次流的存在影响了流速和能量的分布，本文利用高分辨率粒子图像测速系统（PIV），对光滑明渠中二次流的特性进行研究。考虑到明渠紊流具有对称性，对二分之一水槽内的水流参数进行了测量。由于宽深比的变化对二次流有直接影响，取宽深比从3.75到7.5，研究急流条件下二次流结构和强度的变化，以及雷诺应力沿垂线分布的变化规律。结果表明：横断面内存在多个二次流涡结构，其个数和强度受到宽深比的影响；紊动能分布和二次流之间关系密切；流向速度分布存在最大流速下移现象，下移点位置和宽深比以及测线到壁面的距离有关，符合经验公式计算结果；水槽中心处雷诺应分布不受宽深比的影响，但是受到流速梯度的影响。
2020 Vol. 39 (1): 12-20 [
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21
基于超声波衰减效应的悬移质粒径分布反演
李烨明, 谢代梁, 胡鹤鸣, 徐志鹏, 徐雅, 刘铁军, 王月兵
DOI: 10.11660/slfdxb.20200103
粒径分布是两相流的一项重要参数，为了实现其准确快速的测量，本文提出了一种超声波衰减效应与人工蜂群反演算法相结合的粒径分布测量方法。设计了基于聚焦式超声波传感器的悬移质参数测量系统，用于获得超声衰减信号并得到有效的实验衰减系数。根据理论声衰减模型求得理论衰减系数，构造理论衰减系数与实验衰减系数的误差函数作为目标函数。引入人工蜂群算法，优化目标函数，通过反演获得最优粒径分布。实验分别对三种不同分布的悬移质样本进行测量并采用筛分法作为对照实验，进行误差因素分析。结果表明，在实验范围内,该方法有较高的可行性与准确性，可为自由水体中悬移质粒径分布的测量提供一条新的思路。
2020 Vol. 39 (1): 21-30 [
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31
非一致性最低通航水位设计的保证率频率法
王路, 谢平, 桑燕芳, 陈杰, 赵江艳, 余涛
DOI: 10.11660/slfdxb.20200104
变化环境导致水位序列的高阶矩呈现显著的时变性，仅考虑均值变异得到的最低通航水位设计值已无法反映真实水位情况。针对该问题，本文基于分解合成思想和二阶矩变异分析方法，提出方差变异条件下非一致性最低通航水位设计的保证率频率法，并以高道水文站为研究对象对该方法进行验证。结果表明，考虑方差变异的情况下，高道站95%和98%年保证率水位序列在现状环境条件下的水位设计值较过去分别偏大2.15 m和1.60 m（当设计频率取80%时）。此外，考虑方差变异、仅考虑均值变异、未考虑任何变异三种情况得到的水位设计值存在明显差异，证明了在进行非一致性最低通航水位设计时考虑均值变异和方差变异的必要性。
2020 Vol. 39 (1): 31-43 [
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44
水电站引水发电系统小波动Ⅰ区失稳机理研究
杨秀维, 俞晓东, 张健
DOI: 10.11660/slfdxb.20200105
本文基于小波动稳定分析理论，建立了水电站引水发电系统数学模型，研究了无调压室及含调压室水电站引水发电系统在调速器参数Ⅰ区失稳现象，理论分析了系统各子环节相频特性对系统稳定性的影响。结果表明：水电站引水发电系统在调速器参数Ⅰ区失稳的根本原因在于压力管道内水流存在惯性，造成压力管道流量变化相较于导叶开度变化存在相位滞后，从而在调节过程中产生调节误差，并逐渐放大。调速器积分调节环节会使得导叶开度变化相对机组转速变化产生相位滞后从而恶化系统稳定性，比例调节增益 会改变调节系统中积分环节以及压力管道惯性环节叠加后总的相位滞后， 较小时系统总相位滞后随 的增大而减小； 较大时系统总的相位滞后随 的增大而增大，当相位滞后超过90°时，将导致闭环系统失稳。
2020 Vol. 39 (1): 44-52 [
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水泵水轮机泵工况停机提前掉电流态分析
游光华, 朱兴兵, 赵毅峰, 谭磊
DOI: 10.11660/slfdxb.20200106
在水泵水轮机泵工况停机过程中，当活动导叶开度小于20%最大开度时，导水机构会出现异常振动和噪音。为了避免这种不稳定现象的发生，本文对水泵水轮机泵工况停机过程导叶小开度区流动进行数值模拟，分析了振动产生的水力学根源，验证了停机提前掉电是避免流动不稳定的有效措施。由于本文主要研究对象是活动导叶域的内部流动规律，导叶域的流动具有较强的周期性，故本文采用二维单周期模型进行计算。模拟过程中以电站过渡过程的计算结果作为数值模拟的边界条件，采用RNG k-ε双方程湍流模型进行求解，控制方程使用有限体积法进行离散，停机过程中活动导叶的关闭采用动网格技术实现。计算结果表明，在水泵水轮机停机过程中采用提前掉电，可以有效控制导叶内部流态，增强流动稳定性，明显降低了振动和异音产生的可能性。进一步分析表明，导叶域内部流动稳定性与断电开度大小成正相关，考虑到实际电站运行中的可操作性，本文推荐3° ~ 6°为断电开度。
2020 Vol. 39 (1): 53-61 [
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62
水电机组监控系统有功功率调节仿真研究
付亮, 鲍海艳, 黄波
DOI: 10.11660/slfdxb.20200107
考虑到目前水电机组有功功率调节主要以监控系统有功功率闭环调节为主，本文针对水电机组监控系统有功功率调节仿真研究，建立了包含监控系统、调速器、输水系统、水轮机的详细有功功率调节数学模型，通过与实测结果的对比验证了数学模型的准确性。基于数值仿真分析了监控系统及调速器参数对有功功率调节过程的影响，即监控系统脉宽计算参数β主要影响有功功率调节中接近目标值的调节过程，β越小导叶开度调节量越大；脉冲周期T越短功率调节速度明显加快；最大脉宽Tkmax设定值越小每周期内导叶开度的调节量越小，整个有功功率的调节时间越长；最小脉宽Tkmin对整个有功功率调节速度无影响，但影响调节精度；调速器导叶开度给定调整的速度主要由开度给定积分器中参数Tiy所决定，Tiy越大导叶动作越慢，减小Tiy可以增加导叶开度的调节速度，但是功率反调值也会增加。
2020 Vol. 39 (1): 62-71 [
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72
基于体积损失速率的混凝土抗冲磨性能评价
何真, 陈晓润, 赵日煦, 蔡新华
DOI: 10.11660/slfdxb.20200108
采用风砂枪法并配合图像分析技术，揭示了两组不同混凝土质量损失速率、体积损失速率、被磨损物料的密度、固定纵断面上冲坑轮廓随时间的变化规律，结合各特征时间节点处混凝土的表观形貌，确定了混凝土冲磨破坏稳定阶段的判据，并结合混凝土抗冲磨强度计算结果优选出了可靠的抗冲磨强度评价指标。结果表明：质量损失速率和体积损失速率在某个时间点处同时趋于稳定，此时，被磨损物料的密度与混凝土的表观密度保持一致，且无论从混凝土表面形态还是冲坑轮廓来看，混凝土均表现出稳定且均匀的磨损，由此可以判断该阶段为混凝土冲磨破坏稳定阶段。研究证明，趋于稳定的体积损失速率才是混凝土抗冲磨强度可靠的评价指标。
2020 Vol. 39 (1): 72-79 [
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不锈钢钢筋锈损特征扫描分析及性能劣化规律
王海龙, 孙晓燕, 孔航挺, 周炳
DOI: 10.11660/slfdxb.20200109
为全面了解不锈钢钢筋锈损后的锈蚀分布状态、精确预测其性能退化规律，并厘清不锈钢钢筋与普通钢筋在锈蚀行为上的差异性，本文对混凝土中不锈钢钢筋进行加速锈蚀试验，分别通过3D扫描技术和钢筋拉伸试验得到锈蚀指标和力学性能劣化规律。基于最大截面锈蚀率和锈蚀不均匀系数表征了不锈钢筋的锈蚀程度及锈蚀的不均匀性，得到了不锈钢钢筋坑蚀特征演变规律，研究发现：相较于普通碳素钢，不锈钢钢筋锈蚀更易发生坑蚀，且锈蚀的不均匀程度随着质量锈蚀率的增长而线性增加。不锈钢钢筋断口截面分析表明，蚀坑是导致不锈钢钢筋性能劣化的主要来源。根据拉伸试验探究了不同锈蚀程度下钢筋各项力学指标的退化规律，建立了锈蚀钢筋承载能力退化模型及延伸率退化模型。与普通碳素钢的力学性能对比可以发现，不锈钢钢筋的延性较好，在锈蚀严重的情况下仍能保持一定的延伸率，在防止结构脆性破坏上具有较好的优势。
2020 Vol. 39 (1): 80-88 [
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基于随机森林回归方法的爆破块度预测模型研究
王仁超, 朱品光
DOI: 10.11660/slfdxb.20200110
在筑坝材料爆破开采过程中，块度控制是确保筑坝质量最为重要的手段之一。现阶段关于爆破料块度预测的研究中，存在模型预测精度低、模型泛化能力差等问题，难于准确控制堆石料块度、符合爆破开采堆石料上坝条件。针对目前爆破预测模型存在的不足，并有效控制堆石坝料爆破块度，基于随机森林回归方法建立了爆破块度预测模型。通过交叉验证法，将随机森林模型与其他预测模型进行了对比分析，体现了该模型的优越性。在爆破块度预测系统上，结合某工程实际，验证了该模型可行性，为堆石坝爆破施工管理与控制提供了科学指导。
2020 Vol. 39 (1): 89-101 [
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水固比对溶胶-凝胶法合成地聚物性能的影响
段玉杰, 周伟, 姬翔, 程勇刚, 马刚
DOI: 10.11660/slfdxb.20200111
首先利用溶胶–凝胶法制备高纯度的地聚物前体Al2O3-SiO2粉末，然后通过碱激发地聚物前体制备水固比为0.50、0.75、1.00、1.25和1.50的地聚物，排除了常规地聚物研究中矿物原料组分复杂对产物性能的影响。对NaOH激发后的地聚物样品进行抗压强度实验，然后利用XRD、SEM检测其微观结构，并利用FTIR测试地聚物化学结合键表征情况。实验结果表明，在养护3 d龄期的地聚物样品中，水固比为1.00表现出更高的抗压强度；过低的水固比可能导致聚合反应进行不彻底，拌和不均匀，微观结构不致密，样品孔隙率增加，力学性能较差；过高水固比下，水分阻碍碱激发剂与Al2O3-SiO2粉末的反应，导致试样泌水，进而影响聚合反应的进行。NaOH激发溶胶-凝胶法合成的地聚物前体时，水固比对其力学性能和微观结构影响显著，确定合适的水固比可为特殊地聚物性能提供参考。
2020 Vol. 39 (1): 102-109 [
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110
乌东德水电站泄洪减振水弹性模型试验研究
马斌, 佘鑫, 郭乙良
DOI: 10.11660/slfdxb.20200112
本文基于水工模型试验，利用乌东德水弹性模型，研究了不同表孔开度对下游边坡和底部基岩振动的影响，同时利用BP神经网络建立了两种振动预测模型，将泄洪流量分为三个流量级，提出各流量级下的泄洪减振优化方案。结果表明：（1）表孔单独泄流时，当开度增大，基岩的振动基本上呈增大趋势，但当表孔全开时，基岩的振动反而呈减小趋势，边坡的振动则总是跟开度正相关。对于表孔中孔联合泄洪，底部基岩的振动往往在4 m开度时最小，但边坡的振动情况比较复杂。（2）两种振动预测模型都有良好的精度，并且单独建立表孔中孔联合泄洪工况的预测模型可以提高精度。（3）流量很小时，单独采用多个表孔小开度泄洪；流量一般时，充分利用中孔泄洪，开启较少表孔且采用4 m开度；流量较大时，中孔全开，表孔采用多孔小开度泄洪。
2020 Vol. 39 (1): 110-120 [
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