水力发电学报
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2022年 41卷 4期
刊出日期：2022-04-25
1
明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究
练继建, 任盼红, 刘东明, 何军龄
DOI: 10.11660/slfdxb.20220401
明渠自掺气现象常见于水利工程，当水流流速较高时，空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流，水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验，而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型，利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证，掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好，说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现，对于明渠完全掺气水流，掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部，使得壁面对掺气水流阻力作用减小，造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。
2022 Vol. 41 (4): 1-8 [
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9
非恒定流推移质运动研究进展分析
王乐, 钟德钰, 孟长青, 贾宝真
DOI: 10.11660/slfdxb.20220402
非恒定流推移质输沙是河流动力学研究中的基础性问题之一。近几十年来，国内外许多学者对这一问题开展了探索性研究，取得了不少研究成果。本文简要回顾了非恒定流推移质运动的研究历程，并从4个方面总结了非恒定流推移质输沙研究进展和主要成果：（1）水沙运动的滞后性；（2）泥沙运动的绳套变化特征；（3）推移质输沙率；（4）洪水驱动下的推移质输沙量。基于对已有研究结果的归纳与分析，指出了现阶段研究中存在的不足，并提出了非恒定流推移质运动的研究建议。
2022 Vol. 41 (4): 9-17 [
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18
沿海城市暴雨-高潮位复合致涝区划研究
徐奎, 鲁志伟, 宾零陵, 练继建
DOI: 10.11660/slfdxb.20220403
由于暴雨和高潮位的共同影响，沿海城市更容易遭受内涝灾害。暴雨和高潮位影响区域致灾因子划分是减灾措施布设的重要因素。本文提出了致灾因子区划方法，并进行了区划方法的效果分析。以海口市主城区为例，基于城市暴雨污水及流域雨洪管理建模软件构建一二维耦合城市内涝模型，计算不同组合工况下的淹没水深和淹没范围，将内涝区域划分为降雨影响区、潮汐影响区和共同影响区，并对三个区域进行了减灾措施优化分析。结果表明，潮汐影响区、共同影响区和降雨影响区距海岸线逐渐变远；降雨影响区布设蓄水池的效益要明显优于潮汐影响区，而潮汐影响区布设止回阀的效益要优于降雨影响区。因此，通过内涝区域划分可以更高效地布设防涝措施。
2022 Vol. 41 (4): 18-27 [
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28
卜形岔管水力特性研究
任炜辰, 戴熙武, 鲍世虎, 张宏伟, 丁升, 张文远, 王志刚
DOI: 10.11660/slfdxb.20220404
提出在不改变分岔角角度的同时，通过设置直线倒角，以应对分岔角应力集中问题。通过数值模拟方法，研究了设置倒角的卜形岔管水力特性，具体对比分析了不同结构参数的圆弧形、直线倒角体型岔管汇流的水流流态、泄流能力和压强特性。结果表明，直线倒角体型岔管流场平顺，主流流向与支管轴线的一致性较好，而圆弧形倒角体型岔管的流场顺畅性相对较差；对于相同的倒角半径，直线倒角体型岔管的泄流能力优于圆弧形倒角体型岔管，且倒角半径越大，对泄流能力的影响越大，与无倒角时相比，直线倒角与圆弧形倒角体型岔管泄流量最大降幅分别为0.5%、6.8%；直线倒角体型岔管压强分布特征与无倒角体型岔管较为接近，但圆弧形倒角体型岔管与之有明显区别，存在局部低压区。
2022 Vol. 41 (4): 28-36 [
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37
耦合水流滞时的梯级库群中期调峰调度方法
刘欢, 廖胜利, 刘战伟, 张政, 吴慧军
DOI: 10.11660/slfdxb.20220405
针对电网日间负荷的频繁波动及梯级库群复杂的水力联系，提出了一种考虑分段水流滞时策略的梯级库群中期调峰调度方法。首先以电网调峰最优和梯级发电量最大为目标构建了电网中期调峰调度的多目标模型；然后基于水量平衡原理提出了中期分段水流滞时描述方法，可以有效描述以日为计算步长的梯级电站中期调度计算过程中的流量滞时情况；最后给出了调度期和滞后期梯级流量滞时综合电量的计算方法以减小水流滞时破坏的出力偏差。以澜沧江11座梯级水电站为研究对象的计算结果表明，所提方法通过引入水流滞时因素使得计算结果更符合实际运行情况，有效减小了滞后性影响的调度计划偏差，提高了水电利用效益，具有较好的中期调峰效果。
2022 Vol. 41 (4): 37-46 [
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47
基于多情景划分的三峡水库入库径流预报校正
蒋志强, 王随玲, 汤正阳, 张海荣
DOI: 10.11660/slfdxb.20220406
本文考虑预报发生时的外界环境差异性及不同预报情景下预报误差的不同，根据降雨情况、预见期等关键影响因子的不同，实现了预报情景的划分，并进一步基于历史预报误差数据实现了不同情景下相对预报误差分布规律以及90%置信度下置信区间的推求。并基于变分模式分解和长短期记忆神经网络模型，建立了考虑预报误差和预报情景的多维、多属性径流预报校正方法，通过三峡水库实例分析发现，入库径流预报的平均相对误差由实际的8.32%降低为6.36%，减少幅度达到23.6%。此外，平均绝对误差、均方根误差及确定性系数等其他指标都得到了不同程度的改善。说明本文的方法可增加校正模型的有效信息输入，从而提高径流预报模型精度。
2022 Vol. 41 (4): 47-61 [
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62
入库径流过程预报误差多维随机模拟模型
张验科, 邰雨航, 王远坤, 马秋梅
DOI: 10.11660/slfdxb.20220407
包含多个预见期的入库径流过程预报误差的随机模拟随着维度增加而难度增大。为了更加精确快速地分析和得到入库径流过程预报误差的变化规律，本文利用变分自编码器（VAE）方法耦合神经网络和低维隐变量的模拟生成复杂高维数据的特性，建立了基于VAE的入库径流过程预报误差随机模拟模型。以锦屏一级水电站的入库径流过程预报误差模拟为例，将以上模型与改进的Gibbs方法的模拟效果进行对比。结果表明，本文模型所得误差序列的均值、标准差、峰度系数等特征统计量更贴近于实际误差序列，且程序运行时间相比改进的Gibbs方法减少了69% ~ 94%，为考虑入库径流预报不确定性的水电站水库调度提供了更为丰富的参考信息。
2022 Vol. 41 (4): 62-70 [
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高台漫流区铁路桥涵洪灾预警雨量分析
秦军, 李盛, 华永利, 盛世勇, 蔡磊, 余云燕
DOI: 10.11660/slfdxb.20220408
为降低漫流区水害对兰新铁路桥涵的危害，利用暴雨洪水管理模型（SWMM）对高台漫流区洪水进行模拟分析，得到该漫流区部分铁路桥涵预警雨量。首先通过ArcGis建立集总式与半分布式两种SWMM模型，用6场降雨对模型参数进行率定，利用精度评价指标比较两种模型的优劣，进而探讨了SWMM模型对漫流区的适用性；最后采用水位反推法，得到高台漫流区部分桥涵的洪灾预警雨量。结果表明：SWMM可针对漫流区建立降雨径流模型，率定期6场洪水洪峰水位相对误差均低于10%、确定性系数均大于0.7；模拟结果中4场洪水模拟精度等级达甲级标准，2场洪水模拟精度等级达乙级标准，合格率为100%；集总式模型相比半分布模型更适用漫流区；成灾水位一定时，预警时间越长，预警雨量越大。
2022 Vol. 41 (4): 71-82 [
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83
海水淡化高转速泵作透平的压力脉动分析
赵勇, 王鑫, 王生辉, 汪程鹏, 刘嘉杰, 肖业祥
DOI: 10.11660/slfdxb.20220409
离心泵反转作透平是海水淡化能量回收一体机的核心动力部件之一，运行时的压力脉动是机组产生振动和噪声的主要因素之一。本文以高转速离心泵反转作透平为研究对象，采用SAS-SST-CC湍流模型，对其进行整机流道三维非定常流动数值计算，通过流场分析及压力脉动频谱分析，探讨该透平在运行时的非定常流动特性。非定常数值计算结果显示，蜗壳内多测点的压力脉动主频均为叶片通过频率，说明蜗壳内压力脉动主要由转轮和蜗壳隔舌间的动静干涉引起；旋转转轮域内8个叶片间流道中各布置了6个测点，各相似位置测点间的压力脉动峰峰值最大相差10.3%，说明对称的旋转转轮内的流动分布严重不均，这些旋转测点的脉动频率主要为叶频8倍频附近的主频或次主频，说明转轮与蜗壳间的动静干涉、叶片流道间的漩涡是引起转轮内压力脉动的主要因素，且局部漩涡引起的压力脉动强于转轮动静干涉造成的。结果表明，转轮内压力脉动比蜗壳内明显剧烈，旋转转轮内的压力脉动是机组振动主要水力原因。
2022 Vol. 41 (4): 83-92 [
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摆动水翼的摆动方式对水体推进影响分析
华尔天, 汤守伟, 陈万前, 谢荣盛, 郭晓梅
DOI: 10.11660/slfdxb.20220410
小河道流域水体流通性差，自净能力低，而传统泵站在超低扬程工况下存在运行效率低、振动大、噪声强等一系列问题。为解决小河道需求适宜水动力问题，本文研究摆动水翼三种摆动方式的水体推进性能，建立摆动水翼计算模型，结合Realizable k-ε湍流模型与动网格技术进行数值计算，并对水体推进效果较好的摆动方式进行实验研究。结果表明：方式三始终产生推力，方式一和方式二既产生推力，也产生阻力；涡的形成与演变是水体推进性能影响的关键因素；方式三的推进效率及泵效率均显著高于方式一和方式二；在固定频率下，方式三中流量约为490 L?s-1，扬程约为0.0281 m时，最大效率约为34.1%，远高于方式一、方式二的8.6%、9.4%。摆动水翼进行水体推进有着扬程低、流量大等优点，应用于小河道流域有着独特优势。
2022 Vol. 41 (4): 93-103 [
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堰塞湖泄流槽开挖措施快速优化研究
王琳, 武钰淼, 段庆伟, 蔡思敏, 刘立鹏, 孙平
DOI: 10.11660/slfdxb.20220411
堰塞湖一旦溃决，将对下游人民造成严重威胁，开挖泄流槽成为应急处置最常用、最关键的工程措施。如何快速、定量确定其断面形状，减少开挖量，以降低溃决洪水风险迫在眉睫。本文基于土水耦合机制，提出DB-IWHR 2.0泄流槽自动优化设计模型。该模型基于水力学参数和双曲线冲蚀模型，可模拟溃口纵、横向快速扩展，实现溃决全过程快速分析（1小时内），进而在分析溃决特征值基础上快速获取泄流槽最优设计方案。将此模型应用于白格“11?03”堰塞湖发现：白格堰塞湖泄流槽最优设计时，溃决洪峰流量为31041.18 m3/s，与实际溃决流量31000 m3/s基本保持一致。但开挖量可由135000 m3减少到71029.16 m3，仅为实际开挖量的53%，泄流槽最大深度由15 m减少到4.04 m，仅为实际槽深的27%。优化后的泄流槽在避免过度开挖导致堰塞湖坝体失稳的同时，也节约了施工时间、减少了抢险工作量，为堰塞湖的应急处置工作提供了快速、详实、有效的技术支持。
2022 Vol. 41 (4): 104-112 [
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粗骨料含量对环氧树脂修复混凝土断裂性能的影响
吕亚男, 卿龙邦, 曹国瑞
DOI: 10.11660/slfdxb.20220412
通过开展环氧树脂修复混凝土梁的三点弯曲断裂试验，对比研究了混凝土修复前后的断裂性能，分析了粗骨料含量对双K断裂韧度和断裂能的影响。结果表明：环氧树脂修复可大幅提升试件的最大承载力，且临界裂缝口张开位移几乎不受影响。修复后混凝土的断裂性能可得到有效恢复和提升。其中，粗骨料含量为0（砂浆）、18%、36%和54%时，起裂韧度分别提高56.5%、28.2%、21.5%和21.1%；失稳韧度分别提高13.1%、6.0%、5.5%和8.2%；断裂能分别提高41.3%、39.1%、38.1%和23.2%。修复前后混凝土断裂参数均随粗骨料含量增加而增大，且增幅逐渐变缓。
2022 Vol. 41 (4): 113-120 [
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