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公用设备动力工程师《基础知识》考点:水库

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发表于 2018-9-2 13:02:03 |显示全部楼层
  30年代,美国成立田纳西流域管理局时就已经开始重视水库水温问题;日本在50年代亦已成立了河川水温调查委员会,研究水温与水稻生长的关系及水库水温分布特性等。70~80年代,日本相继建成了不少多节式选择取水结构,并在80年代后期编制了《选择取水设施设计要领及说明》供设计者采用。我国对选择取水问题的认识不算太晚,但发展不快,目前的设计水平也不高。为了提高国内选择取水的设计水平,笔者根据国外试验研究资料,结合自己的看法,着重谈谈以下几个问题,供国内同行参考。
  根据水库水温沿水深分布的特性,可将水库分为成层型、中间型和混合型3种。成层型水库表层水温度高,水温随水深加深而降低,当达到一定水深时,水温常年稳定不变,即水库中的水温形成明显分层状态。水温为什么会有如此规律?这是因为水库是一个巨大的蓄热库,水库中的水大量吸收阳光辐射热,但水体吸收辐射热的多少随水深的不同而不同,水深愈深,吸收的辐射热愈小。美国辛尼加湖的观测资料表明:表层1m水深内吸收的热量占全部吸热量的80%的,其中大部分被表层20cm的水层吸收,约5%的热量能达到5m深度,仅有1%的热量能够达到10m深处。水中热量少,相对温度就低。从水的密度方面分析,温水的密度小于冷水的密度,密度大的水沉在密度小的水的下面是大家都认同的,所以,下面的冷水不会自动向上浮,温水也不会自动向下沉,即温水、冷水不交换,从而形成水库中水温分层状态。
  不是每座水库水温都分层。水库来水量相对总库容较大的水库,来水时会破坏水库水温成层分布。日本经多年研究,规定用表1判定水库成层特性。
  从成层型水库中取水时,在取水口附近会形成一流动层,流动层的水流向取水口被排出库外,这一流动层的水应是人们所需要取的水。同样,在中层、底层取水时,取水口附近也会形成一流动层。因此,可以说人们可以根据需要有目的的取水,即只取需要的水。
  对二层水域即水的密度分上下两层的水域进行研究,其结论是,当只取上层或只取下层水的限制条件为取水量不能太大,并可根据试验结果计算出最大取水量Qc。
  为防止冰、污物等流入取水塔内,在取水设施中均设置拦污栅。过栅流速过大时会产生涡流;当取水水流的振动频率f与拦污栅的固有频率fn相近时,会引起共振,致使拦污栅破坏。通常设计中推荐fn/f≥2.5。
  取水塔塔内流速U2过大会产生负压,也可能会发生共振。当取水是为发电时,则水头损失会加大。
  只要塔内流速控制在2~5m/s,并且在进水口布置喇叭状的取水盆,使流线不脱离取水闸门内壁,就不会有产生负压的危险。
  从式(2)中可知,有效开口角θ是影响取水量的因素之一。而θ的大小又受取水口到堤坝、边坡的距离的影响。
  对于半圆筒闸门,则式(13)中的2π用π代替。由式(13)可以看出,L2/D1愈大,则θ愈大,当L2/D1=2时,θ≈0.85×2π,当L2/D1=3.5时,θ≈0.9×2π。另外,如L2/D1太小,还会影响流动层的厚度δ,对0.95δ≥L2/D1≥1.5δ做试验,其结论是L2/D1愈小,对δ的影响愈大,直到L2/D1=1.5δ时,其流动层厚度才不会受到影响。再者,L2/D1愈大,愈不经济,所以,工程设计中必须认真予以考虑。总之,选择取水的水力学问题是复杂的,很多设计参数都需通过水力试验才能决定。
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