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水力学实验室
发布时间: 2008-01-03 来源: 作者: 访问次数:
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    水力学实验室主要承担大中型水利水电工程、火力发电工程、核电工程设计、施工和运行中提出的水力学问题,以及国家科技攻关项目、水利部、国家电力公司、三峡总公司等国内其它水电开发公司、核工业总公司、国家自然科学基金项目中有关问题的研究,为工程设计和国家宏观决策提供科学依据。研究领域主要为水利水电枢纽总体布置、高坝泄洪建筑物水力学、消能防冲、流激振动、空化与空蚀、崩岸水力学与岸坡保护、河冰问题、水电站(抽水蓄能水电站)引水系统中的水力瞬变及调压井水力学研究、跨流域调水工程中的规划及水力控制数值仿真、冷却水(塔)的工程水力热力问题研究、环境水力学、火(核)电厂水工模型试验与数值模拟研究、火(核)电厂取排水局部泥沙冲淤试验、模型和原体监测仪器的研制和开发、以及过水现场原体监测。研究手段包括模型试验、数值模拟计算和原型观测。建所四十余年以来,先后承担过数百项水利水电工程、火电工程以及核电工程中有关的水力学及环境问题的研究,解决了大量工程技术难题,包括三峡工程、小浪底工程、二滩工程、小湾工程、溪洛渡工程、广东大亚湾核电站、秦山核电站I期、II期和III期工程、连云港核电站、上海外高桥电厂、香港南丫电厂等。每年提出数十篇研究成果报告及科学论文,发表在国内外一级学报(刊)及国内外重要学术会议上。近二十余年来,有7项成果获得国家科技进步奖和科技发明奖,70余项成果获得省、部级科技进步奖。


试验平台:


    所属专业实验室为水力学实验室,包括水力学第一实验厅、第二实验厅(在建),第三实验厅,第四实验厅,高速水流厅。


    第一试验厅简介:
 占地面积约6000m2,长×宽=150m×39m;
 地下水库长70m,宽18m,有效库容4000m3;
 3套供水系统、2座水箱,总供水能力为1.7m3/s
 功能:水工建筑物水力学模型实验。


    第二试验厅简介(在建):
 主厅长153m,主体宽60m;
 内设一座长110m、宽42m的潮汐波浪池;
 建有开展冷却塔问题研究的专用设备;
 一座参数试验室;
 环境风洞水槽厅;
 功能:河口与湖泊的环境水动力学模型实验,泥沙及潮汐水力学模型实验,火/核电站冷却水试验,冷却塔相关试验。


    第三试验厅简介:
 占地总面积约3000m²;
 水库长50 M,宽18 M,深4米,库容3500M³;
 功能:水工建筑物水力学模型实验。


    第四试验厅简介:
 建筑面积约900平方米(长*宽=50*18米);
 圆形水库大约蓄水1000立方米左右;
 四台水泵,供水总量约700 L/s左右;
 功能:水工建筑物水力学模型实验。


    高速水流厅简介:
 建筑面积:宽12米、长30米,约360平方米,高16米;
 上下分为三层,底层主要是供水设备,二层为模型加工间,三层为试验室;
 厅外地下建有约450立方水库;
 实验厅设有:循环水洞,减压箱;
 功能:水工建筑物水力学(空化)实验。

人才培养


    学术骨干培养: 2004-2007年间,实验室人员技术能力得到极大提高,有5人晋升为教授级高级工程师,6人晋升为高级工程师,10人晋升为工程师。


    研究生培养: 3年来共培养博士5名,硕士7名,在读博士后2名,博士4名,在读硕士2名,2007年新招博士3名,硕士3名。

重大成果与研究进展


1、高水头、大流量泄洪洞和长距离引水隧洞水力学关键技术问题研究
 采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法对高水头、大流量泄洪洞(50m/s级)的水流特性和水流空化特性进行系统研究;
 针对高水头长距离引水系统的水力稳定性和系统安全性开展系统的理论和实验研究;
 解决高水头、大流量泄洪洞和长距离引水系统的水力学关键技术问题,具有重要的科学意义和巨大的应用价值。


2、溪洛渡水电站3#泄洪洞常压/减压模型试验研究
   常压试验:通过1:45的水工模型,对泄洪洞压力隧洞段的明满流过渡、明流隧洞内的水流流态、压力分布、流速分布、掺气设施的布置及体型、出口挑坎体型及消能防冲效果等进行了大量试验研究。
    减压试验:对泄洪洞龙落尾段进行减压模型试验研究,观测和分析了减压状态下泄洪洞龙落尾段的水流流态、压力分布及水流空化特性,提出了泄洪洞龙落尾段的减压试验修改体型。

3、黄河公伯侠水电站右岸旋流泄洪洞优化试验研究
 旋流泄洪洞由导流洞改建而成,是我国首次采用洞内旋流消能的泄水建筑物;
 进行了结构选型和优化试验及气液两相流模型相似率的研究;
 提出了一系列具有创新性的研究成果。

4、三峡水利枢纽永久船闸原型观测
    工作内容:
 输水系统水力学监测项目的仪器埋设
 上下游航道水力学、闸阀门动力学临时监测设施的安装调试
 无水调试期、有水调试期、试运行期的观测和资料整理分析
观测项目:
 闸室充泄水过程水力学特性
 阀门段充泄水特性
 空化特性
 阀门和人字门启闭特性
 南4、南6阀门及南4人字门静态和动力特性
 船队停泊性能
 上下游引航道波浪和流速
 首末级闸室优化运行


5、小浪底水电站孔板洞原型观测
    观测内容:
 孔板洞段水力学观测
 偏心铰弧门振动观测
 中室段水力学观测
 事故门井门井风速观测等
观测水位:
 1#孔板洞:210m和235m
 2#孔板洞:245m
(图片见图片集:“5小浪底孔板洞剖面示意图”,“5小浪底孔板洞泄洪场景”)

6、湍流数值模拟开发系统
 水利部“948”项目;
 以引进的FLUETN软件为基础,通过对该软件进行二次开发,构建了湍流数值模拟开发系统,并针对大型水利工程中水力学问题开展了水力学领域的湍流数值模拟,直接为水利工程建设服务。

7、白鹤滩水电站坝身泄量问题研究
    通过1:100整体水工模型试验,对白鹤滩水电站坝身泄洪布置方案进行了系统研究,以水垫塘底板动水压强分布与最大冲击压强为主要技术指标,通过多方案的对比试验研究,提出了坝身表孔的优化布置方案,并对坝身可能的最大泄量问题进行了试验研究与分析论证。

8、小湾泄洪洞水力学问题系列研究
    为解决大单宽流量、低Fr数、缓底坡明流泄洪洞的掺气减蚀布置问题,经优化试验研究提出了采用“坎下变底坡”的掺气坎布置体型,很好地解决了掺气坎下游的回溯水流问题。目前该方案已得到设计单位的认可,可望得到工程运用。

9、北京市上庄闸生态鱼道水力学问题研究
     参照已建鱼道的实际运行经验,上庄新闸生态鱼道采用了目前在国际上比较流行的竖缝式鱼道型式,并进行了大比尺水工模型试验,优化了竖缝式鱼道的水力设计参数与隔板墩头体型,所提出的带有导板的竖缝式鱼道布置方案,既能确保良好的水流流态,也能避免表面漂浮物的堆积,从而具备良好的过鱼与景观功能。
目前,该工程已建成,成为我国北方地区为数不多的鱼道工程之一,受到广泛关注。

10、锦屏一级水电站进水口叠梁闸门分层取水方案试验研究
    锦屏一级水电站最大坝高305.0m,正常运行的水位变幅达80m。为了减小水库下泄非河床自然水温状态水流对下游环境与水生生态的影响,电站进水口首次采取在进水塔内设叠梁闸门实现分层取水,取表层水的布置方案,从而达到引用水库表层水,提高下泄水流水温的目的。
    本项目通过1:20的常压水工模型对锦屏一级水电站叠梁门分层取水进水口体型的水力特性进行了系统研究。论证了进水口设置叠梁门实现分层取水的方案是可行的。


11、景洪水力浮动式升船机整体模型试验研究及其数值仿真
    景洪水电站通航建筑物采用水力浮动式升船机,这是一种新型的通航过坝建筑物。与传统升船机相比,水力浮动式升船机具有安全可靠、节省投资、机构简单等明显的优越性。
    本项目采取数学仿真模型与物理模型相结合的研究方法,分析了竖井与平衡重浮筒之间的间隙、承船厢和平衡重浮筒的底部外形轮廓、以及其输水管道上充泄水阀门的启闭方式对景洪水力浮动式升船机运行特性的影响规律,为景洪水力浮动式升船机的设计和运行提供理论依据。

12、溪洛渡泄洪洞事故闸门动水闭门持住力及流激振动试验研究
    溪洛渡泄洪洞具有泄量大、流速高、使用频繁等特点,事故闸门能否在紧急情况动水下门关闭以及闸门关闭过程的流激振动问题都是设计和运行十分关注的问题。
    本项研究按重力相似准则建立了1:25泄洪洞模型和事故闸门水力相似模型,研究了不同摩擦系数事故闸门动水闭门持住力。为启闭机的选择提供了依据。
    建立了1:25事故闸门水弹性相似模型和有限元分析的数学模型,研究了事故闸门动水闭门过程的动应力响应和加速度响应,结果表明该闸门关闭过程动应力响应值不大,试验条件下不致产生有害振动。

13、南水北调中线工程北京段管涵输水方案优化研究
    南水北调中线工程北京段输水线路位于平原地带,全长80km左右,可以采用全段明渠自流输水和泵站加压管涵输水。水力学所水力控制研究室开展了北京段管涵输水方案的研究,将管涵输水方案的投资从原来的90多亿元降低到60多亿元。目前管涵输水方案已经取代了原有的明渠输水方案,正在实施建设中。为了保证所设计管涵输水方案的运行安全,水力控制研究室先后开展了全系统的水力瞬变计算研究,泵站前池的流动实体模型试验,并在国家社会公益专项基金资助下,开展了“南水北调中线工程水力控制计算机数字三维实时仿真系统的开发”。最近,本项目与清华大学王光谦教授联合完成的“南水北调中线工程电子渠道平台与应用”项目通过教育部成果鉴定,结论是:研究成果总体上达到国际领先水平。正在申报教育部科技进步奖。

14、黄河宁蒙河段冰情预报专家系统研究
    在治黄专项基金资助下,水力学所水力控制研究室进行了“黄河宁蒙河段冰情预报系统开发”项目的研究,为黄河上游宁夏、内蒙古河段研发了一套集冰情、水情信息的采集、传输、处理与冰情、水情的预报、会商及决策于一体的冰情实时预报专家系统。水利部科技司组织的专家成果鉴定结论:对复杂河流条件下的冰情预报达到国际领先水平,获得水利部2007年度大禹奖二等奖。

15、火、核电厂循环供水管道系统局部阻力及其相邻影响研究
    我国电厂供水管系设计中一直缺少依托于自己科研成果的水力计算参数和方法,各电力设计单位使用的局部阻力系数来源极不统一;不少系数取值过大,且未考虑局部阻力相邻影响等问题,使我国管路设计结果偏于保守。为此我所进行了对火、核电厂循环供水管道系统局部阻力及其相邻影响的研究。成果已于1996年由电力部发文在电力系统推广试用;两期最终成果已编入《火力发电厂水工设计技术规定》和《火力发电厂冷却水系统设计技术规定》。
    经电厂运行实践证实,与旧水力计算比,局部阻力损失约减少44%,总水头损失下降约30%,节省水泵动水扬程约10%。  
    该项目荣获2003年度中国电力科学技术奖二等奖。

 
16、辽宁红沿河核电厂温排水及低放废水物理模型试验
    辽宁红沿河核电厂位于辽东湾内温坨子附近,规划总装机容量为6×1000MW,分两期建设,一期装机容量为4×1000MW。机组采用以海水为冷却水的直流供水系统。核电厂液体放射性流出物将随循环冷却水排至海域。
    主要研究工作内容为:通过工程海域物模试验,模拟研究温排水及低放废水在环境水体中的输移扩散特性,为核电厂取排水工程设计优化及水环境的影响评价提供科学依据。


17、火/核电厂取水防沙防杂物防污问题的研究
    本项研究属水工水力学应用研究,是国家电力公司重点科技项目。针对我国火/核电厂循环冷却水取水中频繁出现的、对电厂安全经济运行带来不利影响的“三防”问题提出。在此, “三防”为:电厂取水的防沙、防杂物、防污。“杂物”是指小草、树枝、纸张、冰屑、冰块、塑料物、各种生活垃圾漂浮中漂浮物质;“污”指热污染、低放射性污染等。
    研究工作的最终目的是为火/核电厂取水“三防”设计提供指导性的准则和规范。


18、越南锦普发电厂取排水工程研究
    越南锦普燃煤火力发电厂位于越南北部沿海广宁省锦普县,厂址位于东经10721',北纬2101',电厂装机2×300MW。循环冷却水采用海水直流供水系统,以附近海域海水作为冷却水源。


    该项目是我国哈尔滨电站工程有限责任公司总承包项目,研究工作的主要目的是:通过电厂取排水工程水域温排水、泥沙物模试验与数模计算,模拟研究可保证电厂取排水安全运行的工程布置原则,为电厂取排水工程设计提供科学依据。


19、浙江国华宁海二期扩建海水冷却塔热力阻力特性研究
    为减少排水对海域的热污染,保护海洋环境和生态,宁海电厂二期工程采用了海水循环冷却,即海水冷却塔。大型海水冷却塔在国内属首次采用,为保证电厂的经济安全运行,本项目进行了4个课题7个专项的系统试验和研究,在关键技术上为我国设计建造冷却塔提供了重要依据。


20、排烟冷却塔阻力模型试验研究
    排烟管道对于塔内的气流会形成阻力,由于烟管排放口烟气流速高于10m/s,与塔内气流相比动量较高,同时烟气温度也较气流高,对塔内气流可形成附加抽力。此时的冷却塔工艺设计如何进行计算,是设计中的一个新问题。本项目通过冷态模拟和热态试验的方法给出了烟气在塔内的扩散特性。

国际合作与交流


    围绕学科发展前沿,水力学实验室与世界各国专家学者开展了广泛的学术交流活动。据不完全统计,近2年先后有20余人次赴美国、意大利、韩国、俄罗斯等国交流和访问,共发表论文10余篇,有多位专家做主题报告。近2年先后有来自美国、意大利、澳大利亚等国的专家来重点实验室参观和做学术报告。
 


联合国粮农组织 Marmullar官员来水力学所进行学术交流(2007年)
 
法国学者F. LEMPÉRIÈRE先生来水力学所院参观访问(2005年)
 
美国Clarkson大学任沈洪道教授来访水力学所(2007年)

 

 

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