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高寒地区引水渠道水内冰演变的数值模拟及应用

张自强  
【摘要】:高寒地区渠道冰害是关系引水式水电站能否正常运行的关键问题。冰害形成与水内冰演变密切相关。目前水内冰演变的数值模拟主要集中在一、二维模型,三维模型较少,缺乏对冰水两相之间相互耦合作用及热力微观特性的深入研究。因此,探讨水内冰的演变机理,系统地对影响热平衡的关键因素进行定量分析,具有重要的理论与现实意义。 在国内外研究基础上,本文建立了三维非稳态Euler-Euler两相流k-ε紊流模型,动量方程中充分考虑了冰水两相之间的相互作用,包括曳力、升力、虚拟质量力以及冰水两相间温度差、密度差产生的对冰相的浮力,热量传递模型中考虑了冰水之间的热量传递以及太阳辐射、有效辐射、蒸发热损失、水面对流热损失等热力特性。通过与吴剑疆等的黄河上游河道中水内冰演变计算结果及经验公式产冰量的对比分析,验证了模型的可靠性。 以我国西北某水电站引水渠道为例,模拟讨论了冰水热平衡的关键影响因素(外界温度、流量、风速)对水内冰演变的影响,分析了引水渠道中流速、温度及冰体积分数的沿程分布,结果表明: (1)水流流速呈现渠道中心高两侧低的分布趋势;在隧洞进口渐变段水流流速逐渐升高,在隧洞出口渐变段水流流速逐渐降低,在弯道中水流流速整体呈下降趋势,冰、水流速分布规律相似。 (2)水温沿程先降低后增大,沿程出现最低点,冰温沿程逐渐增加。冰体积分数沿程存在突变点,且突变点出现在水温最低点附近。 (3)冰体积分数沿程逐渐增大,在渠道中呈现中间高,两侧低的分布趋势,并且沿水深方向逐渐降低。 (4)对比分析外界温度、流量、风速对产冰量的影响,可知影响引水渠道产冰量的主要因素依次为外界温度、风速、流量。


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