排水管道瞬变流的SWMM模拟能力研究

暴雨洪水管理模型（SWMM）在城市雨洪管理中发挥了重要作用，但对其模拟排水管道瞬变流的能力研究较少。针对排水管道中有压水力瞬变情况，以经典特征线法为参照，对SWMM的模拟能力进行了分析及改进。计算结果发现，原SWMM模型对排水管道快速有压瞬变流的模拟能力较差。为此，提出了“设置虚拟节点、修改Preissmann狭缝宽度”的改进方法，可有效提高SWMM模拟瞬变流的计算精度；同时，进一步分析了空间步长、波速、管段管径比、CFL稳定性条件、收敛精度及节点最小表面积等关键参数对模拟准确度、稳定性、计算效率的影响，并给出了建议取值范围。     

基于KBM法的气垫式调压室涌波显式解析解研究

调压室涌波计算是水电站引水系统设计和优化的重要内容。为解决现有调压室涌波隐式计算公式应用困难、显示计算公式通用性差等问题,本文通过建立统一的气垫式调压室室内气体体积与水位关系,考虑过渡过程流量变化状态和系统阻力、阻抗作用特点,推导出对各种体型均适用的气垫式调压室水位涌波方程,分别以稳定终了、初始稳定时刻为基准,采用KBM渐近法求得其水位涌波及相关极值的显示解析计算公式,并分析了不同基准的公式误差。这些公式求解方便,其中以稳定终了为基准的公式计算误差可控制在1%以内,且对各种体型的气垫式调压室及开敞式调压室均适用。     

考虑动态摩阻的管道内水气耦合瞬变流的数值模拟

输水管道系统中经常会发生水气耦合瞬变流,可能会引起异常压力波动,甚至造成爆管事故。目前针对水气耦合瞬变流的研究很少考虑动态摩阻的影响,往往会低估瞬变过程能量衰减。对此,引入一种高效准确的简化加权类动态摩阻模型,建立考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流模型。同时,采用虚拟塞法避免了特征线法在水气交界面的动态追踪时数值插值和求解的复杂。对比分析该模型计算结果与不考虑动态摩阻模型计算结果、试验数据,发现考虑动态摩阻的模型能更好地预测气团压力衰减和耗散,与试验压力峰值更为接近;入口压力越大,初始气团越小,动态摩阻对压力波动衰减的影响越大。     

管道内水流冲击滞留气团的二阶Godunov数学模型

长距离输水、城市供排水等工程管道系统中常存在水流冲击滞留气团的现象,极可能产生异常压力波动,严重时甚至发生爆管事故。对此,提出将一种准确高效的非恒定摩阻模型引入水流冲击滞留气团的计算中,建立了考虑非恒定摩阻的二阶Godunov模型;并采用"虚拟单元"处理上游入口边界及下游水气交界面,实现了边界通量和内部单元通量的统一计算,避免了以往分别计算两种通量的繁琐,以及追踪水气交界面时数值插值的复杂求解。将该模型计算结果与恒定摩阻模型计算结果及试验数据进行比较分析,结果表明考虑非恒定摩阻的二阶Godunov有限体积模型能准确预测瞬变过程中压力波动和能量衰减情况。     

太阳能热化学反应器多场耦合及协同优化研究

以太阳能高温热化学反应器作为研究对象,针对甲烷还原氧化铈分解水制氢的两步法热化学循环过程,建立耦合光学、流动与传热、化学反应动力学及组分输运的多物理场模型,与实验结果对比验证模型精确性;研究各场之间的耦合机制及其对提升太阳能燃料转化效率的影响机理,提出太阳能反应器内的光-热-化学过程之间的协同优化方法。结果表明：甲烷氧化放热与氧化铈还原吸热互相作用使得催化剂温度存在波动;提高催化剂质量,同时辅以适当的光功率与反应物流量,反应物产率可得到进一步提升,太阳能-化学能转化效率最大可达到38.75%。     

管系水力计算中短管处理的一种方法

短管在水电站、泵站等引水、输水管系中普遍存在,采用特征线法计算有压管道系统瞬变流时,为了满足计算收敛和稳定性,计算时间步长受最短管的限制,导致计算耗时较长。采用集中惯性元件模型对管道刚性化处理,可以解决计算耗时的问题,但破坏了相邻节点求解的独立性,给管系中相关边界的处理带来麻烦。结合刚性模型求解在耗时上的经济性和弹性模型在边界模型处理时的方便性,构建了短管相容性求解模型。在不降低计算精度的情况下,使得刚性部分仍可采用弹性模型求解,有助于复杂管系求解模型的通用化和标准化,方便求解程序的编写与维护。     

基于有限体积法Godunov格式的水锤计算模型

针对管道内水锤问题,基于一阶和二阶Godunov格式的有限体积法建立数学模型并进行模拟分析。采用Riemann求解器对离散通量进行求解,同时在计算中引入对流项;采用MUSCL-Hancock方法进行重构得到二阶精度的Godunov格式,为了避免虚假振荡引入MINMOD斜率限制器;提出了虚拟边界的处理方法,实现了计算区域的所有节点和边界的统一计算。计算分析表明,虚拟边界法既保证了计算结果的精确性,又避免了边界处理的复杂性;一阶Godunov格式与传统的特征线法计算结果一致;当库朗特数小于1时,一阶Godunov格式和特征线法的瞬变压力可能出现严重的数值耗散,但二阶Godunov格式可有效抑制数值衰减从而得到更为准确稳定的计算结果;在马赫数很小的情况下,对流项对模拟结果的影响可忽略。     

气垫式调压室临界稳定气体体积研究

借助开敞式调压室稳定理论建立的气垫式调压室临界稳定断面面积,其与气室气体高度相关,两者构成封闭气室体积。为摸清气垫式调压室水位波动稳定性与断面面积和室内气体体积关系,核实影响水位波动稳定的决定因素,通过分析“引水道－气垫式调压室”系统小波动稳定条件,发现其小波动稳定性与断面面积和室内气体体积均有关联,证实在满足结构、布置、施工等要求的“体积最小化条件”下,其小波动稳定性主要受室内气体体积影响,气垫式调压室临界稳定断面面积概念不准确,气垫式调压室不必局限于等面积体型。据此提出了气垫式调压室“临界稳定气体体积”及相应体型优化设计思路,建立了临界稳定气体体积计算公式,按照严格的求导判定法则分类分析确定了计算参数的取值,针对不同用途导出了多种实用计算公式。     

抽水蓄能电站水力瞬变的有限体积法建模模拟

针对抽水蓄能电站管道内水力瞬变问题,采用二阶有限体积法(Finite Volume Method, FVM)Godunov格式进行数值建模和模拟。首先根据有限体积法将数学模型的控制方程进行离散,采用Riemann求解器进行通量计算。为了得到二阶精度的Godunov格式,避免数据重构时产生虚假振荡,引入并分析比较了3种不同的斜率限制器。机组全特性曲线采用改进的Suter变换,在边界处加入虚拟边界,并与机组边界控制方程相结合,实现了管道内部控制体与边界处计算的统一性。将本研究所建数学模型计算结果与传统特征线法(Method of Characteristics, MOC)计算结果、实测值进行对比,并分析了相关参数的敏感性。结果表明：在库朗数等于1时,二阶FVM与MOC计算结果相同,当库朗数小于1时,FVM计算结果比MOC更准确、更稳定;针对抽蓄机组甩负荷过程,二阶FVM的机组转速计算值与实测值基本吻合,且比MOC计算结果更接近实测值;在抽水蓄能电站水力瞬变计算中,MOC需要对不同特性的管道内水锤波速进行调整,不仅增加计算复杂性,也会产生计算误差;而FVM只需降低库朗数,计算简单方便,且精度...     

抽水蓄能电站高大地下厂房气流试验与数值模拟

为优化宜兴抽水蓄能电站地下厂房内的通风空调设计方案与运行模式,采用现场试验与CFD数值模拟方法,研究研究送风速度、发电机组启停组合工况以及发电机冷却排风方式等主要影响因素对气流组织的影响,分析地下水电站典型层内能量利用系数η、温度不均匀系数kT、速度不均匀系数ku的变化规律。结果表明,在现有的设计方案下,热源设备周围空气的温度显著高于厂房空间内平均温度,湿度低于厂房内平均湿度;热源周围气流由于自然对流的影响,流速有所增加。发电机层的温、湿度以及气流速度分布基本满足设计要求,但在典型热湿季节,温、湿度接近标准上限。