發(fā)布時間：2020-10-15 10:07

　　 我國地域遼闊南北水土資源極不平衡,隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,作為北方旱寒區(qū)水資源優(yōu)化配置生命線工程的大型輸配水工程及調(diào)水工程建設(shè)非常迅速,冬季輸水需求越來越大。實踐表明:高寒區(qū)的復式斷面渠道不僅能適應(yīng)冬夏輸水流量大幅變化的需求又因縮窄冬季水面而有利于保溫輸水,但鮮有復式斷面渠道冰蓋生成過程以及冰蓋輸水運行過程的研究,以至于無法從理論上對復式斷面渠道的冰蓋輸水問題進行分析。所以,本文以復式斷面渠道為研究對象在水工低溫模擬實驗室內(nèi)對其冰蓋形成過程和冰蓋輸水運行過程開展了試驗研究,并且對比研究了梯形斷面渠道的冰蓋形成過程,最后結(jié)合數(shù)值模擬比較分析了復式斷面渠道和梯形斷面渠道的表面流速以及冰蓋發(fā)展對流速和熱輸送系數(shù)的影響。主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)設(shè)計了一套系統(tǒng)考慮了水力學、熱力學、氣象學以及渠道幾何邊界特征的渠道冰蓋形成規(guī)律試驗的研究方法和測試手段。(2)通過試驗數(shù)據(jù)分析可知:在相同的流量條件下,與梯形斷面渠道相比,復式斷面渠道具有岸冰形成較快且較厚、中間主槽部分的冰蓋形成較慢的特點,故其相比梯形斷面渠道更易生成穩(wěn)定結(jié)實的岸冰,也可以延長冬季主槽的輸水時間。(3)通過冰蓋厚度與累計小時負氣溫關(guān)系給出渠道靜冰冰蓋厚度的直接計算公式;基于Stefan度-日法,給出渠道的動靜冰冰蓋厚度直接計算公式;利用試驗數(shù)據(jù)率定出渠道岸冰增量計算公式。(4)通過對復式斷面渠道進行冰蓋輸水運行試驗可知:小流量歸主槽輸水可在冰蓋和中間空氣層的共同保溫作用下延緩主槽內(nèi)冰蓋的發(fā)展從而延長冬季輸水時間,并且中間保溫層的厚度對于主槽內(nèi)冰蓋生長有很大的影響。在分析了冰蓋厚度生長機理的基礎(chǔ)上,考慮冰蓋保溫作用、中間空氣層保溫作用以及水位降幅等因素,根據(jù)熱力學理論提出冰蓋輸水冰凍度-日法。(5)結(jié)合數(shù)值模擬分析可知:在相同的流量條件下,復式斷面渠道的灘地部分表面流速小于梯形斷面渠道的表面流速,而復式斷面主槽部分表面流速大于梯形斷面的表面流速;小流量時復式斷面僅主槽過水的情況下,主槽的表面流速大于梯形斷面渠道的表面流速。復式斷面灘地冰蓋厚度以及岸冰發(fā)展速度受到表面流速和熱交換的影響。綜上可知:復式斷面渠道相比梯形斷面渠道在相同熱力,水力等條件下,能生成穩(wěn)定安全的較厚的冰蓋;而在冰蓋寬度上,復式斷面相比梯形斷面發(fā)展較慢,即可延長冬季主槽的輸水時間�？紤]到冬季流量較小,復式渠道多運用主槽輸水,窄深式的主槽相比于梯形斷面難以結(jié)冰蓋,從而可以通過控制水位在灘地生成冰蓋后,降低水位利用主槽進行冰蓋輸水。該研究成果將為現(xiàn)有的復式斷面渠道冰蓋輸水問題提供理論依據(jù),有助于解決北方寒冷地區(qū)冬季輸水困難的難題。
【學位單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TV672
【部分圖文】：

圖 1-1 冰塞現(xiàn)象Fig.1-1 Ice jam圖 1-2 冰壩現(xiàn)象Fig.1-2 Breakup jam為了提升高寒區(qū)冬季供水能力，滿足冰期輸水安全的要求。在冰期，必然需要做好輸水工程的管理、調(diào)控和運行等工作，一旦出現(xiàn)工作失誤，將造成冰期輸水工作失敗，使得人們冬季用水困難，更加嚴重時，會造成慘重的生命和財產(chǎn)的損失�？紤]到渠道工程的可控性優(yōu)于天然河道，針對高寒區(qū)渠道能力提升的需求，突破渠道極低溫運行的技術(shù)瓶頸，寒區(qū)渠道冰蓋輸水被廣泛采用。例如：在國外，前蘇聯(lián)修建的額爾齊斯-卡拉干達（Irtysh karaganda）、北頓涅茨克頓巴斯（North donetskdonbas）等長達幾百公里的渠道，在寒冷的季節(jié)采用冰蓋輸水；而在國內(nèi)，比如：引黃濟青冬季輸水、京密冬季引水、引溧入津冬季輸水工程等也都通過采取各種措施來控制流量、減少流速和穩(wěn)定水位，實現(xiàn)冰蓋下的安全輸水（張成等 2006）。在冬季輸水工程中，對于輸水工程的管理、調(diào)控和運行的主要工作內(nèi)容是保證在冬季輸水渠道上生成穩(wěn)定的平封冰蓋，并通過控制水位保證水流可以在冰蓋下平穩(wěn)安全地流動；特別需要防止不穩(wěn)定冰蓋的生成，一旦該類冰蓋生成，極易在渠道中生成

圖 1-1 冰塞現(xiàn)象Fig.1-1 Ice jam圖 1-2 冰壩現(xiàn)象Fig.1-2 Breakup jam為了提升高寒區(qū)冬季供水能力，滿足冰期輸水安全的要求。在冰期，必然需要做好輸水工程的管理、調(diào)控和運行等工作，一旦出現(xiàn)工作失誤，將造成冰期輸水工作失敗，使得人們冬季用水困難，更加嚴重時，會造成慘重的生命和財產(chǎn)的損失�？紤]到渠道工程的可控性優(yōu)于天然河道，針對高寒區(qū)渠道能力提升的需求，突破渠道極低溫運行的技術(shù)瓶頸，寒區(qū)渠道冰蓋輸水被廣泛采用。例如：在國外，前蘇聯(lián)修建的額爾齊斯-卡拉干達（Irtysh karaganda）、北頓涅茨克頓巴斯（North donetskdonbas）等長達幾百公里的渠道，在寒冷的季節(jié)采用冰蓋輸水；而在國內(nèi)，比如：引黃濟青冬季輸水、京密冬季引水、引溧入津冬季輸水工程等也都通過采取各種措施來控制流量、減少流速和穩(wěn)定水位，實現(xiàn)冰蓋下的安全輸水（張成等 2006）。在冬季輸水工程中，對于輸水工程的管理、調(diào)控和運行的主要工作內(nèi)容是保證在冬季輸水渠道上生成穩(wěn)定的平封冰蓋，并通過控制水位保證水流可以在冰蓋下平穩(wěn)安全地流動；特別需要防止不穩(wěn)定冰蓋的生成，一旦該類冰蓋生成，極易在渠道中生成

圖 1-3 平封冰蓋Fig.1-3 Flat sealing ice cover圖 1-4 立封冰蓋Fig.1-4 Vertical sealing ice cover在水力學中，弗勞德數(shù) Fr 是用來確定水流動態(tài)如急流、緩流的一個量綱為一的數(shù)值，表征水的慣性力與重力之比，其公式如下：（1-1）式中：v 為水的平均流速，m/s；h 為水深，m；g 為重力加速度，m/s2。在流速低的河段，漂浮的冰塊以平鋪上溯的模式形成冰蓋。根據(jù) Pariset 和 Hausser（1961），當水流弗汝德數(shù) Fr 小于臨界弗汝德數(shù) Frc時，冰蓋以平封模式形成厚度約等于單個冰塊的單層冰；當 Fr 大于 Frc時，冰蓋發(fā)展采用立封模式或者不能向前推進；存在一個最大的 Frm，當流速大于 Frm時，冰蓋不能向前推進，水面流冰下潛至冰蓋底部堆積，形成冰塞。不同水流條件下的推進模式如下表 1-1，臨界弗汝德數(shù) Frc的計算可利用式（1-2）： 1 21 2 1 1i i i it t tf g eFr （1-2）
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本文編號：2842035