本文選題：水電站 + 水平底鋼岔管��； 參考：《武漢大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：隨著世界范圍內(nèi)新能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用,抽水蓄能電站的需求不斷增加。鋼岔管是該型電站引水系統(tǒng)中重要的組成建筑物之一,也是受力條件差且局部水頭損失最大的部位,其設(shè)計(jì)至關(guān)重要。該型電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,傳統(tǒng)的鋼岔管放空檢修時(shí),由于主管直徑大且支管直徑小,岔管及上游管段的管底高程低于下游支管部位,導(dǎo)致管內(nèi)自流排水困難,檢修效率低且?guī)?lái)較大經(jīng)濟(jì)損失,其自流排水的技術(shù)難題亟待解決。本文以解析幾何理論推導(dǎo)、有限單元法及計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬等為主要手段,結(jié)合實(shí)際工程數(shù)據(jù),綜合運(yùn)用多種數(shù)學(xué)建模方法,開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究：(1)從基本幾何理論、結(jié)構(gòu)與水力特性、優(yōu)化與數(shù)學(xué)建模等方面對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),基于此提出了一種新型水平底鋼岔管,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和幾何組成進(jìn)行了深入研究。分別基于對(duì)稱及非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行基本設(shè)計(jì)理論的推導(dǎo),完成了全套坐標(biāo)系、坐標(biāo)變換、管殼曲面方程和輪廓圓錐曲線方程的幾何解析,建立了普遍意義下鋼岔管設(shè)計(jì)理論的幾何學(xué)推導(dǎo)思路。進(jìn)行設(shè)計(jì)可行性分析并進(jìn)行新模式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)二次開(kāi)發(fā),有效加快了設(shè)計(jì)效率。實(shí)現(xiàn)了體形設(shè)計(jì)、網(wǎng)格劃分和管節(jié)展開(kāi)全周期輔助設(shè)計(jì)及岔管曲面上任意點(diǎn)坐標(biāo)信息的離散和提取。證明了該種岔管能從根本上有效提高檢修效率和降低電站運(yùn)行成本,利于生產(chǎn)加工和減少用鋼量,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。(2)針對(duì)水平底鋼岔管進(jìn)行了基于有限單元法的結(jié)構(gòu)特性和基于計(jì)算流體力學(xué)的水力特性研究,和實(shí)際工程的月牙肋鋼岔管進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比分析。針對(duì)分岔水平投影角、支錐管半錐頂角、管徑比和肋寬比四個(gè)關(guān)鍵的工程參數(shù),對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力和水電站運(yùn)行時(shí)各工況水頭損失系數(shù)的敏感性展開(kāi)研究。得到水電站正常運(yùn)行時(shí),各項(xiàng)特征參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)及水力特性的影響及建議取值范圍。結(jié)果表明該岔管結(jié)構(gòu)上沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中和較大位移,埋藏布置時(shí)圍巖分擔(dān)效果良好；水力學(xué)上整體流態(tài)平穩(wěn),抽水工況時(shí)的水力特性比月牙肋鋼岔管相對(duì)更好。從數(shù)值模擬的角度證明了該岔管在結(jié)構(gòu)及水力學(xué)上均具備可行性,適用于抽水蓄能電站。(3)針對(duì)肋板內(nèi)伸這一影響結(jié)構(gòu)及水力特性的重要因素,研究了水電站各運(yùn)行工況下,肋板不同內(nèi)伸條件對(duì)鋼岔管水頭損失系數(shù)和流態(tài)特征的影響。證明了肋板的合理內(nèi)伸并不一定會(huì)惡化流態(tài),從水力學(xué)機(jī)理上闡述了其有時(shí)反而可以改善岔管流態(tài)。繼而分析了不同肋寬比時(shí)岔管流態(tài)對(duì)管壁壓強(qiáng)不均勻分布的規(guī)律,計(jì)算了最大壓強(qiáng)差值的量級(jí)范圍。提出斷面壓強(qiáng)分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差,能較好反映岔管管壁壓強(qiáng)分布的不均勻程度,并證明了該指標(biāo)和肋寬比具有很強(qiáng)的相關(guān)性,給出了肋寬比的取值建議。然后針對(duì)流道內(nèi)脈動(dòng)壓力展開(kāi)了岔管特別是肋板部位的金屬疲勞分析,計(jì)算得到損傷值,并表明在百年時(shí)間的疲勞載荷作用下,肋板仍不會(huì)由于脈動(dòng)荷載發(fā)生金屬疲勞破壞。(4)聯(lián)合運(yùn)用多種方法建立數(shù)學(xué)模型,通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析鋼岔管計(jì)算應(yīng)力值及水頭損失系數(shù)的協(xié)同權(quán)重,基于TOPSIS法進(jìn)行協(xié)同數(shù)據(jù)評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上通過(guò)偏最小二乘法協(xié)同優(yōu)化,表明了鋼岔管頂部最大應(yīng)力和卜形支管段單機(jī)運(yùn)行的水頭損失是設(shè)計(jì)的重要制約因素,且支錐管半錐頂角和管徑比分別是影響結(jié)構(gòu)特性與水力學(xué)特性的控制性參數(shù)。在同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)及水力特性條件下,定量確立了岔管基本幾何體形的優(yōu)化指標(biāo),建立了關(guān)鍵工程參數(shù)和應(yīng)力值及水頭損失系數(shù)的最優(yōu)函數(shù)矩陣關(guān)系,表明優(yōu)化擬合度良好。提出了一套有效的鋼岔管結(jié)構(gòu)-水力學(xué)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法。
[Abstract]:In this paper , a new type of horizontal bottom steel branch pipe is developed , which is based on the theory of analytic geometry , structure and hydraulic characteristics , optimization and mathematical modeling .
In this paper , the influence of different internal and extension conditions on water head loss coefficient and flow state characteristics of steel branch pipe is studied by means of numerical simulation . It is proved that the rational internal extension of the ribbed slab does not necessarily worsen the flow state , and it is proved that the maximum stress and the pipe diameter ratio of the rib plate are the important limiting factors of the design .
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TV732.4
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本文編號(hào)：1910565