冰水二相流输水渠道流冰输移演变机理研究及其应用

发布时间：2020-05-31 01:16

【摘要】：我国是一个缺水且水资源时空分布严重不均的国家,尤其是地处欧亚大陆腹地的我国西北部地区,干旱少雨,水资源丰缺受季节影响较大,用水矛盾更为突出。随着我国西北地区人口增加和经济发展,其部分地区缺水问题日益严重,而长距离输水工程是解决区域性缺水问题最为直接和有效的工程手段,大量以供水和发电为主要目标的输水工程得以兴建,保障了我国西北地区社会经济快速、稳定发展。但是在这些输水工程中有为数众多的宽浅式渠道工程,其在设计之初并未考虑冬季输水的问题,随着区域社会经济的发展,冬季缺水问题已成为制约当地社会经济发展的瓶颈。这些宽浅式渠道工程在过水断面设计和结构形式上无法满足北方严寒高纬度地区冰盖下输水的要求,因此采用水力调控法实现其冰水二相流输水成为优化这些地区冬季水资源配置、破解冰期缺水问题的关键。不同于冰盖下输水渠道,以冰水二相流方式输水的渠道内流冰会源源不断的生成,控制不当极易在渠道束窄断面卡堵,研究冰水二相流输水渠道沿程水内冰生成、演变和输移规律,提出可保障渠道安全输水的水力调控措施,对于实现宽浅式渠道冰期安全输水、充分发挥工程效益具有重要意义。为防止宽浅式渠道以冰水二相流方式运行时发生冰凌灾害,确保冰期安全运行,本文开展以下几个方面的研究:(1)针对浮冰易在渠道桥墩、闸墩断面卡堵的问题,利用模型冰和试验水槽开展浮冰在墩柱断面的运动规律和输移特性研究。通过改变输水流量、水深等水力参数和冰块尺寸、厚度等冰块形状参数,分析冰块在墩柱断面翻转下潜的主要影响因素,寻求冰块能够在墩柱断面顺利下泄的临界水力调控条件。试验结果表明,冰块恰好在墩柱断面前翻转下潜时的临界水流傅汝德数(以下简称临界Fr)可以作为流冰能否顺利下泄的临界水力控制条件;当冰块尺寸不变,厚深比t/H(浮冰厚度与水深比值)越大,冰块通过墩柱断面的临界Fr越大;而在相同t/H下,在一定的范围内,临界Fr随冰块平面尺寸与墩柱净宽的比值(冰宽比L/D)的增大呈现先增后减的规律;并运用量纲分析的方法确定了单块浮冰通过墩柱断面的临界Fr经验公式。(2)建立一维渠道冰水力学数学模型,主要包括水流模型、热交换模型以及冰盖发展模型,并对模型进行了初步的验证,结果显示所建立的模型计算精度能够满足长距离输水渠道冰情、水情分析要求;(3)以新疆某电站引水渠为例,利用建立的一维渠道冰水力学数学模型,结合墩柱断面流冰输移临界水力条件研究成果,模拟了冷冬、平冬和暖冬三个不同典型年下渠道沿程水内冰发展规律和渠道冰情特点,分析了外界气温条件、水源水库的取水温度以及输水流量对渠道冰情的影响。结果表明,渠道内冰流量随流程增大而增大,渠道末端断面冰流量达到最大值;渠道内最大冰凌流量与冬季气温极值有关,而与冬季平均气温无关;提高渠道内初始水温对减小渠道内冰凌流量、缓解渠道防冰形势有重要意义;小流量输水时,渠道冰凌流量要小于大流量情况,但是由于厚深比t/H增大,所以墩柱断面排冰的临界Fr也有所增加,相对大流量工况而言对水力调控的要求更高,而且小流量输水时的冰水体积比要大于大流量情况,对于电站前池排冰和电站发电效益都会产生不利影响。因此,对于采用冰水二相流模式输水的渠道应尽可能采用大流量的输水工况,以保证冰期安全。最后在上述研究成果基础上提出了冰水二相流渠道的安全运行建议,对实现冰水二相流安全水力调控、解决我国西北地区冬季缺水问题具有一定参考价值。
【图文】：

成冰,表面流,河流,冰塞

１．２．２冰塞理论研宄进展逡逑当水内冰不断凝结，在浮力作用下会上浮到水面形成浮冰块或冰盘，随水流一起向下游运逡逑动，见图１－２。暴露在水面的冰块受外界气温、降水和降雪的影响，以及水内冰花的粘附凝结，逡逑其尺寸和强度都会增长。顺流而下的冰块在遇到河道或渠道中障碍物（冰桥、桥墩、闸墩等）、逡逑弯道、束窄断面等复杂边界时，一旦受阻停滞，就会逐渐堆积形成冰盖或者冰塞，并在一定的逡逑３逡逑

南水北调中线,冰盖

上游来流冰块会在冰盖前缘翻转下潜，但是不会随水流向下游输移，这时冰盖以水力逡逑加厚的形式向上游发展，初始冰盖下表面较为粗糙，，初生冰盖较厚。逡逑图１－２河流表面流冰凝结成冰盘逡逑１．２．３冰盖下输水技术研宄现状逡逑目前，国内外长距离输水渠道冰期运行方式主要是冰盖下输水模式。利用冰盖的隔热作用，逡逑使水体与外界大气隔离，冰盖下水体不再持续生成冰凌［８］。与河冰相同，渠冰的生成也是从水逡逑内冰开始的，随后水内冰聚集凝结到一定程度上浮形成浮冰，最后在一定水流条件下结成冰盖逡逑冰塞或是随水流一起向下游输移。在国外，北欧、前苏联、美国北部以及加拿大等许多高纬度逡逑地区的运河工程积累了大量的长距离冰期输水经验。其中前苏联地区冬季十分寒冷，其修建的逡逑１７条运河的几乎所有渠段都经过冬季０°Ｃ以下的低温和多降雪区域［１８］。这些渠道在冬季基本逡逑上都采用冰盖下输水方式运行，通过节制建筑物降低水面坡降，减小流速，实现冰盖下安全输逡逑水。芬兰、瑞典地处高炜度地区，也同样拥有丰富的长距离冰期输水经验：通常在冬季来临前，逡逑通过渠道节制建筑物调节水流条件
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV133

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