课题来源及背景
严寒寒冷地区已建大中型输水工程,受结构设计所限,冬季多只能采用敞流式冰水二相流输水模式。与冰盖下输水相比,冰水二相流输水潜在冰害风险更高。国内外对冰水二相流无冰盖输水关注甚少,在水力和热力控制方面均缺乏理论指导和技术支持。
对于冰盖下输水模式,业内多认为冰期渠道不必实施水力控制或仅凭经验调控,但大量实践表明冰盖生消演变会导致输水阻力急剧变化,从而引起渠道槽蓄改变,以往调控理念难以保障冰盖稳定和输水安全,也无法避免冰期阻力增加导致的输水流量衰减。
现有冰水力学模型主要是河冰模型,无法模拟输水工程中拦冰、导冰过程,也缺少渠系水力自控模块,国内外缺乏可自适应建模的输水工程冰期仿真与控制研究平台,冰情预报及控制研究困难。
本项目针对无冰盖输水、结冰盖输水的控制难题及输水工程冰期仿真及控制平台开展攻关。
项目来源为国家自然科学基金项目无冰盖冰水二相流演变输移机理及水力调控技术研究(51541910)、大型明渠调水工程耦合机理分析及解耦算法研究(50909104)、基于延迟微分方程的明渠输水预测控制方法研究(51079161)、长距离输水渠道冰期自适应运行控制方法研究(51109226);国家重点研发计划项目专题冰期输水冰灾防治及应急抢险运行控制技术研究(2017YFC0405000)以及南水北调中线工程、新疆北疆某干渠工程等严寒寒冷地区长距离输水工程攻关项目等2、技术原理及技术性能(1)开展敞流式冰水二相流水温演变规律研究,提出了基于水温变化的一维渠道水内冰产生、输移的数值计算方法。
(2)得到了冰水二相流中浮冰翻转下潜临界条件,提出浮冰水流拖曳力系数无量纲公式,揭示了浮冰对水流的跟随特性。
(3)建立了保温盖板下渠道冰期输水数学模型,揭示了保温盖板下水体失温机理。
(4)研究了墩柱断面水动力条件对浮冰输移的影响,揭示了不同流速和水流Fr条件下不同尺寸冰块在墩柱断面的运动规律,初步提出冰水二相流安全输水的水力调控理论及技术。
(5)系统研究了长距离输水工程输水阻力特性,得到了糙率和局部水头损失系数计算方法,揭示了桥墩群壅水特性。
(6)建立了冰盖前缘及拦冰索前冰盖下安全输水的水力控制指标,提出了结冰盖渠道在结冰期和稳封期的输水能力判据。
(7)揭示了冰盖生消演变过程中渠道水力响应特性,提出闸前常水位的冰期渠道运行方式,首次建立了水位-流量串级反馈的运行控制方法,水位波动±10cm,最大波速0.4cm/h,可保证冰盖稳定,较不采取水力调控,提高冰期输水能力5~7%。
(8)融合GIS、遥感、大数据、虚拟现实、网络等多种技术手段,创建了面向对象的可自适应建模的冰期仿真与控制研究平台。
(9)发表论文47篇(EI检索12篇);授权发明专利3项,实用专利2项,软件著作权8项;研究报告8篇;培养博士1名,硕士3名。
3、技术的创造性及先进性(1)揭示了冰水二相流水内冰产生演变和输移机理,基于水温变化,提出了可全天候、全过程动态实时计算分析渠道水内冰产生及输移过程的方法。
(2)揭示了无冰盖冰水二相流热力和水动力机制,首次提出无冰盖输水的热力调控和水力调控技术。
揭示了长距离输水工程水流阻力特性及冰盖影响下的水力响应特性,为准确核定冰期输水能力、控制系统参数整定和调度方案制定提供了依据;首次提出冰盖下输水的自动运行控制方法,不仅能保证冰盖稳定,还可提高冰期输水能力。
建立了可模拟冰情生消演变全过程的长距离输水渠道冰水力学仿真技术和水力控制平台,解决了传统河冰模型无法模拟拦冰、导冰过程,缺少渠系自控模块的问题,极大提高了输水工程冰期输水仿真精度,解决了输水工程冰情预报难题。
技术的成熟程度、实用范围及安全性项目组围绕长距离输水渠道冰凌演变输移机理、水力热力调控技术,自动运行控制方法及冰水力学仿真与控制平台,历经10年攻关,取得了一系列成果,涵盖了冰水二相流无冰盖输水模式和冰盖下输水模式,形成了长距离输水渠道冰凌演变、输移机理及成套的热力及水力调控技术,为冰期安全输水提供了强有力的理论依据和技术支撑,可有效及时掌握冰情演变、增强输冰能力、预防及降低冰害发生,经济社会生态效益显著。
应用情况及存在的问题本项目依托新疆YLH流域某冬季输水发电渠道,2011~2016累计发电8.58亿度,创造经济效益4.31亿元;成果被南水北调中线局和水利部水资源司采纳并用于冰期输水调度,保证了冬季输水工作的顺利实施,取得了显著的社会生态经济效益。
历年获奖情况:
(1)南水北调中线工程输水能力与冰害防治技术研究、南水北调中线工程水流阻力特性及输水能力研究分别获2011年、2015年中国水利水电科学研究院科学技术特等奖及一等奖。
(2)敞流式冰水二相流水体温度演变规律分析、基于水温实测资料的冰期水内冰演变计算方法分别获2015年、2017年新疆水利行业优秀论文一等奖。