我國(guó)地域遼闊南北水土資源極不平衡,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(lái)越大。實(shí)踐表明:高寒區(qū)的復(fù)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(fù)式斷面渠道冰蓋生成過(guò)程以及冰蓋輸水運(yùn)行過(guò)程的研究,以至于無(wú)法從理論上對(duì)復(fù)式斷面渠道的冰蓋輸水問(wèn)題進(jìn)行分析。所以,本文以復(fù)式斷面渠道為研究對(duì)象在水工低溫模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其冰蓋形成過(guò)程和冰蓋輸水運(yùn)行過(guò)程開(kāi)展了試驗(yàn)研究,并且對(duì)比研究了梯形斷面渠道的冰蓋形成過(guò)程,最后結(jié)合數(shù)值模擬比較分析了復(fù)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(duì)流速和熱輸送系數(shù)的影響。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)考慮了水力學(xué)、熱力學(xué)、氣象學(xué)以及渠道幾何邊界特征的渠道冰蓋形成規(guī)律試驗(yàn)的研究方法和測(cè)試手段。(2)通過(guò)試驗(yàn)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(fù)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(diǎn),故其相比梯形斷面渠道更易生成穩(wěn)定結(jié)實(shí)的岸冰,也可以延長(zhǎng)冬季主槽的輸水時(shí)間。(3)通過(guò)冰蓋厚度與累計(jì)小時(shí)負(fù)氣溫關(guān)系給出渠道靜冰冰蓋厚度的直接計(jì)算公式;基于Stefan度-日法,給出渠道的動(dòng)靜冰冰蓋厚度直接計(jì)算公式;利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定出渠道岸冰增量計(jì)算公式。(4)通過(guò)對(duì)復(fù)式斷面渠道進(jìn)行冰蓋輸水運(yùn)行試驗(yàn)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(zhǎng)冬季輸水時(shí)間,并且中間保溫層的厚度對(duì)于主槽內(nèi)冰蓋生長(zhǎng)有很大的影響。在分析了冰蓋厚度生長(zhǎng)機(jī)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(xué)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(fù)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(fù)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(shí)復(fù)式斷面僅主槽過(guò)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(fù)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(fù)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(fù)式斷面相比梯形斷面發(fā)展較慢,即可延長(zhǎng)冬季主槽的輸水時(shí)間�？紤]到冬季流量較小,復(fù)式渠道多運(yùn)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(guò)控制水位在灘地生成冰蓋后,降低水位利用主槽進(jìn)行冰蓋輸水。該研究成果將為現(xiàn)有的復(fù)式斷面渠道冰蓋輸水問(wèn)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(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(yùn)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(yán)重時(shí)，會(huì)造成慘重的生命和財(cái)產(chǎn)的損失。考慮到渠道工程的可控性優(yōu)于天然河道，針對(duì)高寒區(qū)渠道能力提升的需求，突破渠道極低溫運(yùn)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(guó)外，前蘇聯(lián)修建的額爾齊斯-卡拉干達(dá)（Irtysh karaganda）、北頓涅茨克頓巴斯（North donetskdonbas）等長(zhǎng)達(dá)幾百公里的渠道，在寒冷的季節(jié)采用冰蓋輸水；而在國(guó)內(nèi)，比如：引黃濟(jì)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(guò)采取各種措施來(lái)控制流量、減少流速和穩(wěn)定水位，實(shí)現(xiàn)冰蓋下的安全輸水（張成等 2006）。在冬季輸水工程中，對(duì)于輸水工程的管理、調(diào)控和運(yùn)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(guò)控制水位保證水流可以在冰蓋下平穩(wěn)安全地流動(dòng)；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(yùn)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(yán)重時(shí)，會(huì)造成慘重的生命和財(cái)產(chǎn)的損失。考慮到渠道工程的可控性優(yōu)于天然河道，針對(duì)高寒區(qū)渠道能力提升的需求，突破渠道極低溫運(yùn)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(guó)外，前蘇聯(lián)修建的額爾齊斯-卡拉干達(dá)（Irtysh karaganda）、北頓涅茨克頓巴斯（North donetskdonbas）等長(zhǎng)達(dá)幾百公里的渠道，在寒冷的季節(jié)采用冰蓋輸水；而在國(guó)內(nèi)，比如：引黃濟(jì)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(guò)采取各種措施來(lái)控制流量、減少流速和穩(wěn)定水位，實(shí)現(xiàn)冰蓋下的安全輸水（張成等 2006）。在冬季輸水工程中，對(duì)于輸水工程的管理、調(diào)控和運(yùn)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(guò)控制水位保證水流可以在冰蓋下平穩(wěn)安全地流動(dòng)；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(xué)中，弗勞德數(shù) Fr 是用來(lái)確定水流動(dòng)態(tài)如急流、緩流的一個(gè)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(dāng)水流弗汝德數(shù) Fr 小于臨界弗汝德數(shù) Frc時(shí)，冰蓋以平封模式形成厚度約等于單個(gè)冰塊的單層冰；當(dāng) Fr 大于 Frc時(shí)，冰蓋發(fā)展采用立封模式或者不能向前推進(jìn)；存在一個(gè)最大的 Frm，當(dāng)流速大于 Frm時(shí)，冰蓋不能向前推進(jìn)，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(jìn)模式如下表 1-1，臨界弗汝德數(shù) Frc的計(jì)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(hào)：2842035