一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，包括多功能模拟单元、流速监测装置和控制平台；其中多功能模拟单元包括库区模拟水槽、拦污栅、叠梁门、联系梁和进水口管道；流速监测装置用于监测叠梁门顶部流速、联系梁处的流速、进水口管道处的流速，并将监测数据发送至控制平台；控制平台基于监测数据调节所述拦污栅和所述叠梁门的间距。本发明专利技术还提供上述系统的运行方法，通过量化拦污栅—叠梁门合理设计间距，以有效改善水电站进水口水流流态，减小水流紊动强度，降低漩涡尺度。本发明专利技术技术可靠，易于实施，消涡范围广，消涡效果明显，可以代替消涡的工程措施，提高了水电站发电效率和保障了机组运行安全。

A multi-functional test system for optimal design of water flow structure in front of water intake of hydropower station

【技术实现步骤摘要】
一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统
本专利技术属于水利水电工程
，具体涉及一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统。技术背景水库水体建成运行后，深水水体的水温趋向于沿深度分层。取水过程中，深水下泄水温会产生显著影响，尤其会对下游生态环境造成不利影响。进水口采取叠梁门是改善下泄水温过低的一种工程措施，现已应用于一些实例工程中。使用叠梁门后水电站的进水口取水断面缩小，进口高程抬高，使得流动过程复杂无序，导致产生大量漩涡。进水口漩涡可能会增强结构振动，增大水能损失，降低发电效率，甚至影响发电安全。因此，有必要采用消涡措施对进口水流进行改善，以减小水流波动，降低旋涡尺度。在实际工程中通常单独设计建造消涡设施和装置，如专利CN107641972A，但其建设造价非常高，使用条件苛刻，并且消涡范围有限，在工程实际效果并不如预期。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有的技术缺陷，提供一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，能针对不同的来水工况，优化拦污栅—叠梁门间距设计，通过调节拦污栅-叠梁门间距改善水电站进水口水流流态，减小水流紊动强度，降低漩涡尺度，提高水电站发电效率和保障机组运行安全，有着良好的社会效益和经济效益。本专利技术的另一目的在于提供上述水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法。技术方案：本专利技术的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，包括：多功能模拟单元、流速监测装置和控制平台；所述多功能模拟单元包括库区模拟水槽、拦污栅、叠梁门、联系梁和进水口管道；所述库区模拟水槽具有连接水源的供水管道；所述拦污栅和所述叠梁门间隔布置；所述水源的水经由所述供水管道进入库区模拟水槽，并依次经过拦污栅、叠梁门和联系梁到达所述进水口管道；所述供水管道上安装有供水泵和电磁流量计，以分别控制和测量试验上游供水流量；所述进水口尾端安装有流量控制阀门，以控制试验下游下泄流量；所述流速监测装置用于监测叠梁门顶部流速、联系梁处的流速、进水口管道处的流速，并将监测数据发送至所述控制平台；所述控制平台基于所述监测数据分别计算叠梁门顶、联系梁、进水口管道处的三维旋涡强度，并基于计算结果调节所述拦污栅和所述叠梁门的间距。进一步地，所述多功能模拟单元的长度比尺λl、流速比尺λv和流量比尺λQ满足以下关系：λv＝λl0.5，λQ＝λ12.5；所述长度比尺表明所述多功能模拟单元与实际对应物的长度比例为1：λl；其中λl为任意正数。进一步地，所述供水泵、所述电磁流量计和所述流量控制阀门分别由所述控制平台通过无线信号控制，以调节或测量流量。进一步地，所述库区模拟水槽中还设有稳水格栅；所述稳水格栅下半部分为高度为h的挡板，上半部分为由栅条组成的栅板，且其中，q为试验下游下泄流量，V为试验下游下泄流速，L为库区模拟水槽的宽度，H为试验上游模拟水位高度，n0为关于挡板高度的不确定系数。进一步地，流速监测装置包括声学多普勒流速仪和多参数测量支架；所述声学多普勒流速仪安装在所述多参数测量支架上；所述多参数测量支架由控制平台通过无线信号控制，以带动所述多普勒流速仪进行移动；所述声学多普勒流速仪通过无线信号将所述监测数据传输到所述控制平台。进一步地，所述库区模拟水槽的侧壁上设有拦污栅槽和叠梁门槽；拦污栅槽和叠梁门槽内分别安装有门槽轨道；拦污栅和叠梁门底部均安装有滚轮，以通过所述滚轮沿所述门槽轨道分别在所述拦污栅槽和叠梁门槽内移动；所述滚轮由所述控制平台通过无+线信号控制移动。进一步地，所述叠梁门可以根据试验要求安装指定层数，每一层均可拆卸和安装。进一步地，所述监测数据包括在采样间隔为Δt的一个监测周期T范围内，对叠梁门顶部、联系梁和进水口管道处的括纵向流速Ux，横向流速Uy和垂向流速Uz多次采样后的平均值。上述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统的运行方法，包括如下步骤：(S1)基于各物理量的比尺计算所述供水流量和所述下泄流量，结合所述电磁流量计通过控制平台对所述供水泵和流量控制阀门进行调节；在叠梁门顶部、联系梁处、进水口管道处安装流速监测装置；(S2)通过所述流速监测装置实时监测叠梁门顶，联系梁处、进水口管道处的流速，包括纵向流速Ux、横向流Uy、垂向流速的Uz；其中，监测的采样时间间隔记为Δt，监测周期记为T；所述流速监测装置计算各监测点处的Ux、Uy、Uz在监测周期T内的多次采样的平均值，分别记为ux、uy、uz，并将ux、uy、uz作为监测数据发送给所述控制平台；(S3)控制平台基于所述监测数据分别计算叠梁门顶、联系梁、进水口管道处的三维旋涡强度；具体包括：其中，Q为当前监测周期内对应监测点处的三维旋涡强度；(S4)控制平台基于步骤(S3)中的计算结果调节所述拦污栅和所述叠梁门的间距；具体包括：判断当前监测周期内各监测点处的三维旋涡强度是否均小于预定阈值：若均小于所述预定阈值，则拦污栅-叠梁门间距优化完成；否则，使所述拦污栅和所述叠梁门的间距减少特定距离，计算下一周期T内各监测点处的三维旋涡强度指标，直至各监测点处的三维旋涡强度指标均小于所述预定阈值；减少的所述特定距离通过下式计算：其中，QL为对应监测点处的三维旋涡强度阈值；K1、K2是关于间距和漩涡强度的不确定系数，参数K1，K2通过原型观测和模型试验确定。工作原理：若以水电站进水口管道端部放置叠梁门后的水流流动示意图(见图1)为例：L1为水流通过叠梁门顶的流动示意图；L2为水流通过叠梁门顶后水平流动过渡到竖直向下的流动示意图；L3为水流竖直向下流动再过渡到水平方向的流动示意图。L1至L3即为水库水流通过拦污栅，通过叠梁门，再通过进口管道的流动过程。经过大量创造性的实验研究发现：这三个流动过程即是最易产生漩涡的三个流动阶段，而这三个流动阶段主要受到拦污栅-叠梁门间距的影响。进一步地，通过对拦污栅-叠梁门间距的调节，减少这三个流动阶段的三维旋涡强度，从而达到在水电站进水口前增加消涡范围的效果。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、通过构造实验平台模拟真实水电站进水口前水流结构并进行优化，能增加消涡范围，从而在避免建设昂贵的消涡工程设施同时，提高水电站发电效率和保障机组运行安全，具有显著的社会和经济效益；2、通过在库区模拟水槽中加入稳水格栅，能够保证供水泵抽出的水流通过库区模拟水槽时能够趋近于静水位，保证库区模拟水槽与进水口管道的衔接段水位的平稳、消除衔接段水流波动。附图说明图1为水电站取水进水口管道处的流动示意图；图2为本多功能试验系统的剖视图；图3为本多功能试验系统的俯视图；图4为未优化拦污栅—叠梁门间距的进水口流线图；图5为优化拦污栅—叠梁门间距后的进水口流线图。具体实施方式下面通过具体实施例结合附图对本专利技术技术方案进行详细的说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述的实施例。...

【技术保护点】
1.一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，包括：多功能模拟单元、流速监测装置和控制平台；/n所述多功能模拟单元包括库区模拟水槽(1)、拦污栅(2)、叠梁门(3)、联系梁(4)和进水口管道(5)；所述库区模拟水槽(1)具有连接水源的供水管道(12)；所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)间隔布置；所述水源的水经由所述供水管道(12)进入库区模拟水槽(1)，并依次经过拦污栅(2)、叠梁门(3)和联系梁(4)到达所述进水口管道(5)；所述供水管道(12)上安装有供水泵(6)和电磁流量计(7)，以分别控制和测量上游供水流量；所述进水口管道(5)尾端安装有流量控制阀门(8)，以控制下游下泄流量；/n所述流速监测装置用于监测叠梁门(3)顶部流速、联系梁(4)处的流速、进水口管道(5)处的流速，并将监测数据发送至所述控制平台(4)；/n所述控制平台(4)基于所述监测数据分别计算叠梁门(3)顶、联系梁(4)、进水口管道(5)处的三维旋涡强度，并基于计算结果调节所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)的间距。/n

【技术特征摘要】
1.一种水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，包括：多功能模拟单元、流速监测装置和控制平台；
所述多功能模拟单元包括库区模拟水槽(1)、拦污栅(2)、叠梁门(3)、联系梁(4)和进水口管道(5)；所述库区模拟水槽(1)具有连接水源的供水管道(12)；所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)间隔布置；所述水源的水经由所述供水管道(12)进入库区模拟水槽(1)，并依次经过拦污栅(2)、叠梁门(3)和联系梁(4)到达所述进水口管道(5)；所述供水管道(12)上安装有供水泵(6)和电磁流量计(7)，以分别控制和测量上游供水流量；所述进水口管道(5)尾端安装有流量控制阀门(8)，以控制下游下泄流量；
所述流速监测装置用于监测叠梁门(3)顶部流速、联系梁(4)处的流速、进水口管道(5)处的流速，并将监测数据发送至所述控制平台(4)；
所述控制平台(4)基于所述监测数据分别计算叠梁门(3)顶、联系梁(4)、进水口管道(5)处的三维旋涡强度，并基于计算结果调节所述拦污栅(2)和所述叠梁门(3)的间距。


2.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，其特征在于，所述多功能模拟单元的长度比尺λl、流速比尺λv和流量比尺λQ满足以下关系：λv＝λl0.5，λQ＝λ12.5；所述长度比尺表明所述多功能模拟单元与实际对应物的长度比例为1：λl；其中λl为任意正数。


3.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，其特征在于，所述供水泵(6)、所述电磁流量计(7)和所述流量控制阀门(8)分别由所述控制平台(4)通过无线信号控制，以调节或测量流量。


4.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，其特征在于，所述库区模拟水槽(1)中还设有稳水格栅(9)；所述稳水格栅(9)下半部分为高度为h的挡板，上半部分为由栅条组成的栅板，且



其中，q为试验下游下泄流量，V为试验下游下泄流速，L为库区模拟水槽(1)的宽度，H为试验上游模拟水位高度，n0为关于挡板高度的不确定系数。


5.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化设计多功能试验系统，其特征在于，流速监测装置包括声学多普勒流速仪(15)及其配套的多参数测量支架(16)；所述声学多普勒流速仪(15)安装在所述多参数测量支架(16)上；所述多参数测量支架(16)由控制平台通过无线信号控制，以带动所述多普勒流速仪(15)进行移动；所述声学多普勒流速仪(15)通过无线信号将所述监测数据传输到所述控制平台。


6.根据权利要求1所述的水电站进水口前水流结构优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴杰，毛劲乔，龚轶青，戴会超，惠二青，黄文琴，朱诗洁，蔡海滨，陆堃，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32