调压室水力实验
水电站课程设计调压室设计
水电站课程设计调压室设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解调压室在水电站中的作用和重要性。
2. 学生能够掌握调压室的基本结构和工作原理。
3. 学生能够描述调压室设计的主要参数和影响因素。
技能目标：1. 学生能够运用流体力学原理，分析调压室的水力特性。
2. 学生能够通过实际案例，学会调压室设计的步骤和方法。
3. 学生能够运用相关软件或工具，进行调压室设计的模拟和优化。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对水利工程建设的兴趣，增强环保意识。
2. 培养学生严谨的科学态度和团队协作精神。
3. 增强学生对我国水电工程发展的自豪感，激发创新意识。
课程性质：本课程为工程专业课程，结合流体力学和水电工程设计原理，注重实践性和应用性。
学生特点：学生具备一定的流体力学基础，对水电工程有一定了解，具有较强的学习能力和实践能力。
教学要求：通过本课程的学习，使学生能够将理论知识与实际工程相结合，培养解决实际问题的能力。
教学过程中，注重启发式教学，引导学生主动探究和解决问题，提高学生的综合素质。
1. 调压室作用及重要性- 介绍调压室在水电站中的作用，如稳定水头、减少水击等。
- 引导学生了解调压室在水电工程中的地位和影响。
2. 调压室结构及工作原理- 分析调压室的基本结构，如屋顶、侧墙、底板等。
- 阐述调压室工作原理，结合流体力学知识进行讲解。
3. 调压室设计参数及影响因素- 介绍调压室设计的主要参数，如容积、尺寸、形状等。
- 分析影响调压室设计的因素，如地形、地质、水头等。
4. 调压室设计方法及步骤- 讲解调压室设计的基本方法和步骤，如确定设计参数、选择合适模型等。
- 结合实际案例，阐述设计过程中的注意事项和技巧。
5. 调压室设计软件应用- 介绍常用的调压室设计软件及其功能。
- 指导学生运用软件进行调压室设计的模拟和优化。
6. 教学大纲安排- 课程分为理论教学和实践操作两部分，共计8学时。
- 理论教学：第1-4学时，讲解调压室相关知识。
水力学 静水压强演示实验
1. 升降调压筒时，应轻拉轻放。 2. 在读取测管读数时，一定要等液面稳定后再读，并注意使视线与液面最低点处于同一水
平面上。 3. 读数时，注意测管标号和记录表中要对应。
静压-3
实验数据记录
仪器编号：
有关常数：A点高程 ∇ A =
cm，B点高程 ∇B =
cm， ρ 水 = 1.0×10-3 kg/cm3
测管液面高程读数记录
工况
测次
∇1 (cm)
∇2 (cm)
∇3 (cm)
∇4 (cm)
∇5 (cm)
∇6 (cm)
1
p0 > pa
2
#
1
p0 < pa
2
#
静压-2
实验结果
静水压强量测结果
工况
测次
p0 = ρ 水 g(∇ 6 − ∇ 5 ) (N/cm2)
p A = ρ 水 g(∇ 6 − ∇ A ) (N/cm2)
1
p0 > pa
2
#
1
p0 < pa
2
#
分析思考问题
p B = ρ 水 g(∇ 6 − ∇ B ) (N/cm2)
ρ油
=
ρ水
∇6 ∇2
−∇5 − ∇1
(kg/cm3)
1. 重力作用下的静止液体压强分布的基本规律是什么？从实验结果举例说明。 2. 如何利用测压管量测静止液体中任意一点的压强（包括液面压强）？ 3. 相对压强与绝对压强、相对压强与真空是什么关系？ 4. 表面压强 p0 的改变，基准面 O-O 线位置的改变，对 A、B 两点的位置水头与压强水头有
打开K1时，水箱内液体的表面压强为大气压，当K1关闭时，可通过升降调压筒调节水箱
用三维计算流体力学方法计算调压室阻抗系数
1 数学模型和计算方法
1.1 流动特点 水电站引水系统的水流主要是湍流，其雷诺数通常很高，水力损失可分为沿程和局部两类。沿 程损失主要由边界的滞水作用所引起，在高雷诺数的阻力平方区，主要决定于边壁粗糙度。局部损失是由于流 动边界急剧改变，引起流态发生激烈变化，出现分离、扩散、回流，加剧了湍流掺混，从而引起能量损失的增 加；其损失系数主要取决于流道几何形状和流场结构(如分离、扩散、回流、射流等)。在局部损失中也包含沿 呈损失的部分，只是沿程部分所占比重很小。从计算流体力学的观点来看，水力损失计算的准确与否，关键在 于湍流计算方法的选用和湍流边壁的处理。阻抗式调压室流场有分离、扩散、回流、射流等流动特性，只有选 用适合这些流动结构的计算方法才能得到正确的水力损失。 1.2 湍流模型 目前计算湍流的方法有雷诺平均的NS方程法、大涡模拟法和直接数值模拟法。后两种由于需要 的计算资源庞大而不适用于本问题计算。在雷诺平均NS方程的方法中，雷诺应力模型和
的平均旋转率张量；系数A0=4.04， As =
1 ~ ~ 6 cos(φ ), φ = cos −1 ( 6W ),W = S ij S jk S ki / S , S = S ij S ij 。 3
1.3 边壁处理 边界层内流速梯度大，剪切应力作用强，边壁区的准确模拟对摩阻系数、压力变化和分离点 位置等有明显影响，因而边壁的处理对水力损失系数的计算很重要。雷诺平均湍流模拟方法是用时间平均后的 NS方程模拟平均流动，用湍流模型(例如k-ε方程)描述湍动，用它模拟带边壁的流场时，必须对边壁加以特别 处理。目前边壁处理方法有两种，其中两层法适用于低雷诺数流动，且要求近壁层内网格足够细；壁函数法适
* * +
2
模拟效果验证
典型阻抗调压室由岔管、阻抗孔和突扩段组成。为验证以上计算摸型，了解模拟结果的精度，这里分别模 拟T形岔管、圆管孔口、突扩管的局部损失系数，以及某模型调压室的阻抗系数。 2.1 T形岔管水头损失系数 带连接管的阻抗式调压室的连接管通常与引水道及压力管道形成T形岔管。T 形岔管的水头损失主要取决于连接管、引水道和压力管道的断面积比、水流的分流/汇流比、三管连接处的修 圆半径等。若连接管并不垂直于引水道和压力管道，损失系数还与它们的夹角有关。选用图1所示的等直径 (D1=D2=D3=1.0m)T形岔管，给定不同的分流比Q2/Q1和汇流比Q2/Q3进行模拟，得到相应的损失系数(以总管流速水 头为基准)。图1是分流情况，由图1可见，计算结果和经验值变化趋势一致，数值基本接近。随分流比的增大，
水力学实验
实验一 静水压强演示实验一、目的要求1、量测静水中任一点的压强；2、观察封闭容器内静止液体表面压力。
3、掌握U 形管和测压管的测压原理及运用等压面概念分析问题的能力。
二、实验设备实验设备见实验室水静压强仪。
三、实验步骤及原理1、打开排气阀，使密封水箱与大气相通，则密封箱中表面压强0p 等于大气压强a p 。
那么开口筒水面、密封箱水面及连通管水面均应齐平。
2、关闭排气阀，用加压器缓慢加压，密封箱中空气的压强缓慢增大。
U 形管和测压管出现压差△h 。
待稳定后，开口筒与密封箱两液面的高差即为压强差h p p a γ=-01。
3、打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上，关闭排气阀，找开密闭容器底部的水门，放出一部分水，造成密闭容器的体积增大而压强减小。
此时a p p <0，待稳定后，其压强差称为真空，以水柱高度表示即为真空度：32120∇-∇=∇-∇=-γp p a =h 24、按照以上原理，可以求得密封箱液体中任一点A 的绝对压强A p '。
设A 点在密封箱水面以下的深度为A h 0，1号管和2号管水面以下的深度为A h 1和h 2A ，则：A p 'A a h h p p 02100)(γγ+∇-∇+='A a A a h p h p 21γγ+=+=四、注意事项检查密封箱是否漏气。
五、量测与计算静水压强仪编号 01 ； 实测数据与计算（表1、表2）。
表1 观测数据表2 计算设A点在水箱水面下的深度h0A为10 厘米。
实验二流线演示实验一、演示目的1、通过演示进一步了解流线的基本特征。
2、观察液体流经不同固体边界时的流动现象。
二、演示原理流场中液体质点的运动状态，可以用迹线或流线来描述，在恒定流中，流线和迹线互相重合。
在流线仪中，用显示液通过分格栅组成流场，整个流场内的“流线谱”可形象地描绘液流的流动趋势，当这些有色线经过各种形状的固体边界时，可以清晰地反映出流线的特征及性质。
浅谈水力发电厂调压室作用及类型
浅谈水力发电厂调压室作用及类型水力发电厂的调压室（或称调压井）对于减少水力脉动，确保机组安全稳定运行起到至关重要的作用，此为电站不可缺少的一部分。
笔者对于调压室的作用、基本要求、设置条件、基本布置方式、基本类型等进行阐述。
标签：调压室、水力发电厂、调压井设置条件、；1 调压室的作用在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水击压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。
调压室将有压引水系统分成两段：上游段为压力引水道，下游段为压力管道。
调压室的作用：（1）反射水击波。
避免压力管道传来水击波进入压力引水道。
（2）减小水击压力。
缩短压力管道长度。
（3）改善机组在负荷变化时运行条件。
2 调压室的基本要求根据其作用，调压室应满足基本要求：（1）调压室尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。
（2）调压室应有自由水表面和足够的底面积，以保证水击波的充分反射。
（3）調压室的工作必须是稳定的。
在负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减，达到新的稳定状态。
（4）正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头损失要小。
为此调压室底部和压力管道连接处应具有较小的断面积。
3 调压室的设置条件调压室是改善有压引水系统、水电站运行条件的一种可靠措施。
但调压室一般尺寸较大，投资较大，因此是否设置调压室，应在机组过流系统调节保证计算和机组运行条件分析的基础上，考虑水电站在电力系统中的作用、地形及地质条件、压力管道的布置等因素，进行技术经济比较后加以确定。
3.1上游调压室的设置条件初步分析时，可用水流加速时间（也可称为压力引水道的时间常数）Tw来判断，设置上游调压室的条件：T w的物理意义是在水头Hp作用下，不计水头损失时，管道内水流速度从0增大到V所需的时间。
显然，T w越大，水击压力的相对值也越大，对机组调节过程的影响也越大。
[Tw ]——T w的允许值，一般取2～4s。
[T w]的取值与电站出力在电力系统中占的比重有关。
水力学实验指导书(1)
本科教学实验指导书水力学实验易文敏编写李克锋四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室前言水力学实验课的基本任务是：观察分析水流现象，验证所学理论，学会和掌握科学实验的方法和操作技能，培养整理实验资料和编写实验报告的能力。
在进行实验的过程中，要注意培养自己的动手能力和独立工作的能力。
使每个实验者有观察现象，进行操作和组织实验的机会，并能独立进行整理分析实验成果，受到实验技能的基本训练。
各项实验分别介绍了每个实验的目的、原理、实验设备、步骤、注意事项，以及可供实验者编写实验报告时参考的表格。
要求做好实验后，实验者要独立认真完成一份实验报告，按时交指导教师批阅。
为了使实验者能深入地掌握和巩固有关实验内容，每个实验项目的结尾都列有一定数量的思考题，供实验者进一步深入思考，并要求在实验报告中作出书面回答，随实验报告交指导教师审阅批改。
实验一 静水压强一、实验目的：1. 实测容器中的静水压强;2. 测定X 液体的容重；3. 通过实验，掌握静水压强的基本方法和了解测压计的应用。
二、实验设备：如图所示，1管和2管、3管和4管、5管和6管组成三支U 型管，其中5管和6管组成的U 型管装X 液体，其余U 型管装水。
1管、3管和5管与大气连通，2管、4管和6管与水箱顶部连通。
3管和4管组成的U 型管的底部与水箱的A 点连通，1管和2管组成的U 型管的底部与水箱的B 点连通。
水箱底部与调压筒连通。
三、实验原理：利用调压筒的升降来调节水箱内液体表面压强和液体内各点的压强。
1. 根据静水压强基本公式：p=p 0+ρg h 可得p A =ρg 水(▽3-▽A ) p B =ρg 水(▽1-▽B )2. 由于2、4、6管与水箱顶部连通，所以2、4、6管液面压强与水箱液面压强相同，于是可得：p 0=ρg 水(▽1-▽2)= ρg 水（▽3-▽4）=ρg X （▽5-▽6）ρg X =6543∇-∇∇-∇ρg 水 或ρg X =6521∇-∇∇-∇ρg 水3. 若水箱内气体压强p 0≠p a ,则p 1≠p 2、p 3≠p 4、p 5≠p 6。
水锤教学试验
水电站课程教学实验之(一)水 击 实 验前修课程：水力学、水工建筑物、水电站。
开课对象：水利水电工程专业学生。
一、实验目的1.通过实验，增加对“水锤”的感性知识，巩固和加深课堂上所学过的水锤基本理论。
2.了解引水系统中有无调压室和不同关闭时间（'s T ）对水锤值的影响。
3.通过比较了解调压室对水电站水锤的影响，认识其作用。
4.熟悉水锤压力值的测量仪器和量测方法。
5.了解模拟机组导叶关闭的液压系统。
二、实验要求1.实验前预习教材中有关部分内容和实验大纲，了解实验的目的，要求和具体实验方法。
2.实验时，要按照实验大纲规定的实验情况，步骤和操作方法进行。
3.实验时要服从分工，各分工岗位要互相配合，协调一致，服从指挥。
4.遵守实验室有关规章制度，爱护公物，爱护实验设备。
5. 按照规定的时间和要求，每人递交实验报告一份。
三、实验工况（一）机组流量0Q ，有调压室情况 1.导叶关闭时间1s T 1）突然丢弃负荷00→Q 2）突然增加负荷00Q →2.导叶关闭时间2s T 1）突然丢弃负荷00→Q 2）突然增加负荷00Q →（二）机组流量0Q ，无调压室情况 1.导叶关闭时间1s T 1） 突然丢弃负荷00→Q 2） 突然增加负荷00Q → 2.导叶关闭时间2s T溢流式调压室实验装置纵剖面示意图1）突然丢弃负荷00→Q 2）突然增加负荷00Q → 四、实验步骤1.对照实验装置图熟悉实验现场和实验设备。
2.熟悉模拟水电站机组导叶开关的液压系统。
3.熟悉水锤压力值动态量测的电测仪器和方法。
4.操作和观察分工：1）机组控制操作2人2）计算机数据采集系统操作2人3）测读量水堰流量1人4）量测水库水位及水电站水头1人5）总记录1人5.在机组阀门打开之前，从调压室中读出水库水位。
由机组控制操作人员打开液压针阀。
并调节机组流量到Q，并读出下游水位和量水堰测针值。
6.由机组控制操作人员调节液压调速阀；调整机组关闭时间到T。
永乐电站调压室模型试验
主 要 内 容 之 一
赫 器 簧
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（ ４） （ ５）
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（ ７）
２ 基 本 模 型 设 计 过 程
（ ９ ）
式 中 ， 压 力 管直 径 ｝ 为 水 的 弹 性 模 量 ； ｄ为 Ｋ 占为 压 力 管 壁 厚 ； Ｅ
为模 型材 料 的 弹性 模 量 ； 为 波速 比尺 ． 嘶
０： ＋ Ｆｄ Ｚ
式 中、 ｚ为调 压 室 水 位 与 库水 位 之 差 ：
同样 ． 由水 锤 波 相 似 可 得 ４个公 式 、 上 式 （）共 有 ５十 加 ９，
因 此有 运 动 方 程
下 面对 这
引水道
调 压 室 系 统 ， 先 要蒲 足 水 流 条件 相似 、 首
系统 满 足 水锤 波 技 水 弹 性 渡 相似 ． 由波 速 相 似有 则
Ｚ．￣ －－一 ＨＨ 击
连 续 方 程
（ １ ）
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＋
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根 据 文 献 ［ 文 献 ［ ． １和 ２ 中所 述 的相 似 分 折方 法 ， 由上 述 两
个 方程 可 引 出两 个模 型律 方 程 ， 上 调 压 室车 身设 计 成 正 态 、 加
阻 抗孔 断面 与 ｆ 断 面 之 比正 态 、 水 阻力 相 似 、 量 比尺 相 似过 ４ 流
由于 凋压 窜 的 存 在 整 个 引水 系 统 内 的水 力 现 象 可分 为调 压 室 的 水 位振 荡 与 高 压 管 的水 击 、前 者 出现 在 水 库 调 压 室 组成 的系 统 后 者存 在 于 调 压 室一 高压 管 道 引水 道 水轮 机 系
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水电站课程教学实验之(二)
调压室水力实验
前修课程：水力学、水工建筑物、水电站。
开课对象：水利水电工程专业学生。
一、实验目的
1.增强对调压室水力现象的感性认识，验证和巩固理论知识；
2.初步了解进行水电站水力模型试验的方法；
3.密切理论和实践的联系，培养运用所学理论知识分析实际问题的能力。
二、实验任务和要求
利用调压室实验台的阻抗式调压室和差动式调压室进行下列试验：
1.观察并记录上水箱在高水位(cm)时，流量由（L/s）突然减少至零（相当于水电站正常水位丢弃全部负荷）阻抗式和差动式调压室中水位波动过程及稳定所需要的时间。
2.观察并记录上水箱在低水位（cm）时，流量由零突然增至
（L/s）（相当于水电站死水位增加部分负荷情况）及丢弃全部负荷第二振幅涌浪水位，阻抗式和差动式调压室水位波动过程中全部水力现象，以确定其最低涌浪水位，水位稳定所需要的时间，观察调压室内水位波动衰减过程。
3.观察并记录不同管道长度以及不同阻抗孔口面积对调压室水位波动幅值的影响。
三、实验设备及模型数据
1.实验设备
调压室水力模型由上水箱、管道、调压室、阀门、电磁流量计、下水箱及循环水泵几部分组成（见附图）：
水由循环水泵从下水箱抽到上水箱后，通过管道流经调压室，然后由管道引
至电磁流量计（以测定通过管道的流量）最后流回下水箱，形成循环流动。
在回水管道上设有手动快速阀及尾水闸阀，前者用以快速改变水管流量使调压室中水位产生波动，后者用以调节流量以满足实验要求。
在差动式调压室的大井井壁及升管上设有标尺，可直接读出水位波动的最高和最低值，以及引水管道至调压室的水头损失h w，波动稳定时间可用秒表测定。
阻抗式调压室水位波动过程中的最高水位、最低水位以及上下两个水箱中的水位，都可以通过固定在相应位置的标尺，用目测方法人工记录。
差动式调压室和阻抗式调压室中的水位波动过程线和管道中的流量可由计算机数据采集系统完成，过程如下：LGY-3A型浪高仪将调压室水位的波动过程变成电压信号送到计算机数据采集系统，LDZ-4B型电磁流量计将输水管引用流量转换成电压信号送到计算机，计算机数据采集系统自动记录这些信号，并存储到硬盘中，供计算分析使用。
在完成试验前的所有准备工作后，进入试验程序。
其步骤如下：
a.开启计算机，双击桌面上“调压室水力实验”图标；
b.进入“河海大学水电站非恒定流试验数据采集系统”界面；
c.点击鼠标进入“传感器初始状态检测”界面；
d.界面右下方依次显示“重现”、“退出”、“调零”、“确定”四个按钮，点击“确定”按钮；
e.弹出“进入实时测量”和“传感器标定”界面，选择“进入实时测量”，点击“确定”按钮；
f.在弹出的界面中选择本次试验所需要用到的传感器，并选择所有传感器的信号是否在同一坐标显示，点击“确定”按钮；
g.在弹出的界面中输入“文件名”、“采样时间”和“最高水位”，点击“确定”按钮，在弹出的界面中显示“将覆盖上次同名数据文件”，点击“确定”按钮进入量测过程。
建议采样时间选择30~90s，最高水位选择100cm。
2.模型数据
（1）引水管
阻抗式调压室引水管长度：短管L1=170cm，长管L2=370cm
差动式调压室引水管长度：短管L1=170c m，长管L2=370cm
引水管内径d=5cm
（2）调压室
阻抗式调压室内径D1=10cm
差动式调压室大井内径D1=10cm
差动式调压室升管内径d=5cm
差动式调压室升管高度Z B=58.5cm
水头损失h w= cm
（3）调压室水力模型数据
水位：
（高水位）上水箱水位cm，下水箱水位cm
（低水位）上水箱水位cm，下水箱水位cm
流量：
高水位时，电磁流量计读数%，流量（L/s）；
低水位时，电磁流量计读数%，流量（L/s）；
四、实验报告
实验结束后，每人独立提交实验报告一份，分析实验成果，报告内容应包括：
1.描述实验观察到的阻抗式和差动式调压室中的水力现象（特别是升管溢流口和阻抗孔口两处）。
2.根据阻抗式调压室模型数据用解析方法求出上水箱为高水位丢荷后调压室的最高水位，并与实验成果比较。
3.比较差动式和阻抗式调压室在同一实验情况时观察到的水力现象。
4.在引用流量相同的情况下，比较不同引水管长度对阻抗式调压室水力现象的影响；
5.比较不同阻抗孔口面积对差动式调压室水力现象的影响。
差动式调压室
调压室实验装置图。