大型水库水温结构及取水口前流场研究

摘要

高坝大库的修建形成了大面积的停滞水域，加之太阳辐射等作用，水库内水体温度沿水深分层。下泄低温水将对农业灌溉和下游水生生态系统产生不利影响。为控制下泄水温，水电站分层取水的方式正逐渐被采用。理解和掌握水库水温分层结构的形成和变化规律，是研究取水口前流场和下泄水温的基础。取水口前流场又与下泄水温息息相关,系统研究温度分层水库取水口前流场，对指导分层取水取水口的设计及运行，以达到良好的控制下泄水温的效果是至关重要的。
　　本文首先利用EFDC对某水库水温结构形成过程进行研究。然后，通过PIV流场测量试验系统，进行取水口前分层流动规律与流动机理的试验研究。最后，通过编写FLUENT边界条件，建立数学模型，进一步分析水温分布、取水口中心淹没深度和下泄流量对取水口前流场的影响。本文的主要研究内容及成果包括以下几个方面：
　　（1）阐述了水库水温分层结构的形成机理、低温下泄水的危害、减免下泄低温水影响的相应措施以及常见的分层取水形式。对水库水温分层规律和下泄水温的研究方法进行归类总结。
　　（2）利用ASTER GDEM数据获得某水库数字地形，以EFDC模型为基础，参考类似工程水温数学模型选定相关参数，建立该水库立面二维数学模型，对水库水温分层结构形成过程进行模拟。水库表层水体温度，不但呈现出季节性的变化规律，而且日间变化也十分明显；底层水体则比较稳定，仅仅随季节更替稍有变化。
　　（3）按照光谱能量分布与太阳光谱能量分布保持一致原则，选择镝灯来模拟太阳辐射。通过镝灯对水面进行照射，对垂向水温结构进行测量，以观察人工辐射光源对水面下水体的加热效果，探索相关水面热交换下水温结构形成过程的试验方法。
　　（4）将“水温试验相似理论”和PIV技术相结合，研制了专门的PIV流场测量试验系统，以三种典型水库水温分布为背景，改变取水口中心淹没深度进行不同组合，对取水口前流场进行试验研究，总结规律。
　　（5）通过FLUENT的自定义函数功能，编写了库内水温分布和水密度随温度变化关系等边界条件，建立了适用于温度分层水库取水口前流场计算的数学模型，并得到试验数据的验证。针对在水温均一和三个典型月份水库水温分布，四个取水口中心淹没深度，三种下泄流量的工况进行了数值模拟。对水温分布、取水口中心淹没深度和下泄流量等因素对取水口前流场的影响进行了分析，总结了温度分层水库取水口前的流场规律。分析了取水口前流场与下泄水温的响应关系。

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第一章 绪论

1.1温度分层水库研究背景

1.2水库水温结构研究进展

1.3下泄水温研究进展

1.4主要研究内容与创新点

第二章 水库水温结构模拟研究

2.1水库数字地形获得

2.2温度分层水库水温结构数值模拟

2.3人工太阳辐射加热试验

2.4小结

第三章 取水口前流场试验研究

3.1水温试验相似理论

3.2 PIV技术简介

3.3 PIV流场试验

3.4试验结果分析

3.5小结

第四章 取水口前流场数值模拟研究

4.1数值模拟方法

4.2模型建立与验证

4.3模拟结果分析

4.4小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

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