水力发电学报
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2020年 39卷 4期
刊出日期：2020-04-25
1
压水板式后弯管波浪能发电装置的试验研究
陈文创, 张永良, 俞慧峰, SHENG Wanan
DOI: 10.11660/slfdxb.20200401
提出了一种带有压水板的新颖后弯管波浪能发电装置，旨在提高后弯管波浪能发电装置的俘获宽度比，拓宽装置响应频宽。建立了压水板式装置物理模型，并在波浪水槽中开展物理模型试验，通过气压测量结合流量-气压关系式计算得到装置俘获转换的气动能量。研究了喷嘴比、锚泊点位置、吃水深度对装置性能的影响，并对比了一系列波浪要素条件下压水板式装置与常规型式装置的性能。发现在测试波周期范围内压水板式装置的最大俘获宽度比常规型式的大13.8%，俘获宽度比>70.0%的频响宽度比常规型式的宽21.9%，压水板实现了增效宽频作用。
2020 Vol. 39 (4): 1-9 [
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10
家鱼幼鱼对水轮机流道水力剪切响应实验研究
王煜, 翟振男, 李金峰
DOI: 10.11660/slfdxb.20200402
水力剪切是鱼类通过水轮机流道下行时遭受损伤的主要原因之一。发展鱼类友好型水轮机，提高水轮机的过鱼效率，需首先明确鱼类对水轮机流道内水力剪切作用的响应关系。本研究以四大家鱼幼鱼为研究对象，设计模拟水轮机流道因流道狭窄或固体表面边界引起的水力剪切环境实验装置，对四大家鱼幼鱼分别进行承受水力剪切的响应实验。实验结果表明，四种家鱼幼鱼在受到流速应变率大于或等于2179 m?s-1m-1的射流冲击时，均出现不同程度的损伤，损伤程度随流速应变率的增大而加强。另外，鱼体受流速应变率引起的水力剪切造成的损伤程度不但与家鱼种类有关，还与射流作用于鱼体的方位有关。实验结果可作为四大家鱼幼鱼通过水轮机流道下行是否受到流速应变率引起的水力剪切损伤的判别依据，为优化水轮机亲鱼型设计和运行，有效保护四大家鱼资源提供有效支撑。
2020 Vol. 39 (4): 10-20 [
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21
正弦派生曲线弯道水流结构特征实验研究
曹玉芬, 高术仙, 白玉川
DOI: 10.11660/slfdxb.20200403
探究窄深型弯曲河段三维水流结构，使用声学多普勒流速仪（ADV）对正弦派生弯道水槽中40个断面12160个测点三维水流数据进行加密测量研究，研究结果表明：弯曲岸壁形态改变了水流结构特征，曲率为0断面附近区域为水流动力轴线在左右两岸摆动的过渡区；在左右两岸侧，纵向流速沿程波动分布，波动周期相同相位相差180°，且在凹岸处存在小流速区；各断面存在中心区近底主环流和近岸近水面反向小环流，部分断面近岸近底还出现与中心环流同向的小环流，环流强度最小值出现在各弯段弯顶附近。实验数据可为连续多个弯道数值模拟提供数据验证参考。
2020 Vol. 39 (4): 21-32 [
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33
中小流量下黄河下游游荡段河床调整规律
景唤, 钟德钰, 张红武, 王彦君, 黄海
DOI: 10.11660/slfdxb.20200404
小浪底水库运用后，进入黄河下游河道的水沙情势发生显著变化，大流量洪水频率大幅减小，中小流量洪水作用凸显。为揭示黄河下游游荡段中小流量下的演变特征，本文开展了500、1000、1500和2000 m3/s流量级下黑岗口—夹河滩段的动床物理模型试验。结果表明，垂向上，研究河段河床冲刷与淤积沿程相间分布，具有典型的游荡性河段的冲淤交替特征；横向上，中小流量下游荡段仍存在横向摆动的可能，且随着流量增大，主流弯曲系数由1.18减小至1.13，河道逐渐由蜿蜒向顺直发展；纵向上，各流量下深泓线调整趋势与冲淤量变化规律基本一致。此外，本文着重分析了河道工程与桥下河段河床的时空调整过程并运用随机模型进行了模拟。通过分析发现：时间上，河道工程附近河床垂向调整速率早期较快，之后随时间快速非线性减缓；空间上，桥下河段累积冲刷深度沿程非线性减小，空间衰减特性显著。应用表明，随机模型对典型局部河段的时空调整预测效果较好，相关系数R2可达0.74以上。本文探讨了中小流量下黄河下游典型游荡段长河段与局部的冲淤演变特征，可为未来黄河下游典型游荡性河段的河道整治与保护提供科学依据。
2020 Vol. 39 (4): 33-45 [
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46
基于EMD连续几何分布的水电机组振动信号降噪
党建, 李骥, 贾嵘, 范鹏飞
DOI: 10.11660/slfdxb.20200405
考虑到水电机组在电力系统中更多的承担调峰、调频、备用等任务，开展复杂工况下的机组振动信号降噪算法研究对早期故障辨识和电网稳定运行意义重大。因此，本文提出了一种基于经验模态分解连续几何分布相似性的水电机组振动信号降噪算法。首先，对经验模态分解筛分得到的不同固有模态分量进行重构，并利用非参数核密度估计理论对不同分量重构信号的概率密度函数进行拟合。其次，引入豪斯多夫距离建立概率密度函数几何分布之间的相似性评价指标，并根据豪斯多夫距离的变化趋势实现水电机组振动故障信号分量与噪声分量之间的最优界定。最后通过仿真实验和工程实例对算法的可行性进行了验证。结果表明所提出算法对于低信噪比下的水电机组振动信号有着良好的降噪效果。
2020 Vol. 39 (4): 46-54 [
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55
瞬变流中加权类动态摩阻模型的二阶近似求解
刘静, 周领, 曹波, 刘德有
DOI: 10.11660/slfdxb.20200406
与稳态摩阻模型相比，加权类动态摩阻模型充分考虑水力瞬变过程中速度历史和加速度对切应力的影响，从而能较准确描述压力衰减，被认为是一维水锤模拟中最为精确的数学模型。由于卷积积分项的复杂性以及一阶精度可满足大部分水锤问题，加权类动态摩阻模型的求解均是基于特征线法的一阶格式。为了提高模拟精度，本文尝试推导出卷积积分项的特征线法二阶近似求解格式，并通过实验数据验证其准确性。计算分析表明，与二阶近似求解格式相比，一阶求解格式存在计算误差，且随着计算网格长度、流体流速和黏滞性的增大而增大。
2020 Vol. 39 (4): 55-61 [
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62
水泵水轮机水泵断电飞逸过程压力脉动CFD模拟
张成华, 尤建锋, 泰荣, 王熙, 刘英, 程永光
DOI: 10.11660/slfdxb.20200407
水泵断电导叶拒动导致机组飞逸是抽水蓄能电站的危险过渡过程，伴随水锤压强、水轮机流态、压力脉动、转轮受力发生剧烈波动，研究中必须综合考虑。由于常规过渡过程模拟只能考虑水锤波动，目前对后面几种特性缺乏了解。本文采用一维输水系统和三维水轮机耦合的CFD模拟方法，针对某模型抽水蓄能系统进行水泵断电飞逸过渡过程模拟。分析了流量、转速、转轮受力的宏观参数变化，发现在鞍形区及水轮机S区波动剧烈；分析了测点压强变化，发现整个过渡过程中压力脉动频率复杂，有高频低幅、高频高幅、中频中幅、低频高幅四类，在鞍形区及S区压力脉动幅值大，正常运行区附近幅值小；结合流态分析，发现高频脉动产生于动静干涉，中低频脉动来源于旋转失速和尾水管涡。
2020 Vol. 39 (4): 62-72 [
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基于不规则颗粒离散元的砾石土三轴数值模拟
崔博, 邓博麒, 刘明辉, 余佳, 王晓玲
DOI: 10.11660/slfdxb.20200408
心墙砾石土的力学性质直接影响土石坝心墙沉降变形及结构安全。针对目前对其影响因素的研究多集中于砾石掺配比例和空间分布，且存在缺乏考虑砾石形状对砾石土力学性质影响的问题，提出基于不规则砾石形态的砾石土离散元数值分析方法，探究砾石形状对砾石土力学性质的影响。首先，基于三维激光扫描技术构建不规则三维形态砾石模型库，并提出三变量形状评定标准对砾石形状特征进行判定；然后，提出颗粒原位替换法构建砾石土颗粒流模型；最后，进行不同砾石形状的三轴压缩数值试验，分析砾石土的力学性质。结果表明，提出的三变量形状评定标准简单有效，能够精确识别不规则砾石的多重形状特性；砾石形状对砾石土的宏观力学性质影响显著，不同形状砾石数量的均匀性有助于提高试样强度。研究可为改善心墙砾石土力学性质提供参考。
2020 Vol. 39 (4): 73-87 [
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土样分散性综合判别方法的对比研究
张路, 杨秀娟, 樊恒辉, 邱维钊, 陶然, 赵文赫
DOI: 10.11660/slfdxb.20200409
针对某些土样而言，针孔、双比重计、碎块、孔隙水可溶性阳离子和交换性钠离子等5种常用的分散性判别试验方法的判别结果往往彼此不一致。对此，研究者们提出了不同的定性或定量的综合判别方法。基于5种试验方法的优缺点，以8个水利枢纽工程的45组土样为研究对象，对比分析原研究者的定性判别结果和权重分析、评分表等定量的判别结果，并验证分析经验公式的准确性，以期对土样分散性的判别提出合理建议。结果表明：与原研究者的定性结果相比，权重分析和评分表的判别结果基本可靠，其中评分表安全性偏低。经验公式参数简单且物理意义明晰，结果偏可靠和安全，所以建议作为初步判别，再依据权重分析或评分表进一步准确判别土样是否具有分散性。
2020 Vol. 39 (4): 88-100 [
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人工制备遗址土蠕变试验研究
王凯, 胡再强, 折海成, 梁志超, 冯哲, 焦韩伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20200410
为了研究糯米浆对土蠕变特性的影响，用不同含水量、不同糯米浆掺入量配制人工制备遗址土。通过单轴蠕变试验，研究了不同压力条件下人工制备遗址土的蠕变特性。试验结果表明：含水量越大，蠕变现象越明显。随着糯米浆掺量的增加，人工制备遗址土的蠕变量呈现出先减小后增大的趋势，在土与糯米浆质量比为90:10时，蠕变量达到最小。根据试验结果，分别建立了适合人工制备遗址土蠕变特性的经验蠕变模型和基于分数阶微积分的非线性黏弹性模型。通过对比发现，基于分数阶微积分的非线性黏弹性模型能弥补传统经验模型不能描述瞬时应变的缺陷，更好地反应人工制备遗址土的蠕变特性。
2020 Vol. 39 (4): 101-109 [
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利用CMV评估堆石料压实质量的神经网络模型
安再展, 刘天云, 皇甫泽华, 张庆龙, 历从实, 李庆斌
DOI: 10.11660/slfdxb.20200411
土石坝压实质量对大坝安全至关重要，通过压实质量评估模型可实现对压实质量实时监控。传统碾压施工采用固定的碾压方案，碾压参数在碾压过程中不改变，而在智能压实过程中，碾压参数根据当前压实状态进行优化调整，因此压实质量评估模型必须考虑碾压参数。通过堆石料现场碾压试验，分析了压实计值（compaction meter value，CMV）与堆石料相对密度和碾压参数的相关性。结果表明，CMV与堆石料相对密度具有较强相关性，可作为堆石料压实质量监测指标，碾压机振动频率和车速对CMV影响显著，行驶方向对CMV影响较小。最后基于现场试验和径向基（RBF）神经网络，建立了考虑碾压参数变化的堆石料压实质量评估模型。与试验结果对比表明该模型具有较高精度。
2020 Vol. 39 (4): 110-120 [
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