引水式水电站调压室水力虚拟仿真实验

水电站是将水能转换为电能的综合工程设施，涉及水、机、电等各方面知识，运行工况复杂，涉及的知识面广，特别是引水式水电站，建筑物多样，水力特性各异，运行控制复杂。水电站物理实验成本大，风险较高，重复性较差，有些实验内容无法实现，通过虚拟仿真实验项目能够弥补这些不足，培养学生的专业实践能力。由河海大学开发的“引水式水电站调压室水力虚拟仿真实验”本着“能实不虚”的原则，将真实水电站工程中难以观测到的引水系统调压室水力现象，利用虚拟现实技术，将数值计算结果和3D模型有机结合，让学生身临其境，既可认识水电站的构造，也可通过参数设置，开展引水式水电站不同类型调压室的水力虚拟实验，实验过程可通过可视化实景展现调压室局部的水力现象，亦可通过曲线和数值形式展现参数的动态变化。学生可以结合理论学习，对虚拟实验数据加以分析，得出结论。

通过该虚拟实验，学生对引水式水电站输水系统调压室的水力现象会有一个充分地认识，同时也深化对水电站课程专业知识的理解。

该课程实验主要面向水利水电工程专业第三学年第二学期“水电站”课程 “水电站的水锤与调节保证”、“调压室”两个章节的实验教学安排，或水利水电工程专业培养方案中独立设置的 “水电站实验”课程，考核成绩为系统自动生成。该系统也可以作为大四年级水利水电工程专业水电站毕业设计提供设计优化手段。亦可作为农业水利工程专业的“水电站”课程使用。

在本实验项目中，水电站非恒定流理论知识通过老师结合电子课件在课堂进行讲授，虚拟实验平台中有测试题对学生掌握的相关知识加以测验。学生通过课堂学习水电站非恒定流的基本理论，掌握水锤的基本概念、水锤在管道中的传播原理、压力管道的构造、调压室的工作原理、设置条件等。实施效果以学生充分理解这些理论知识为准，借鉴引水式水电站输水系统为仿真实验案例，以引水式水电站—锦屏二级水电站的一个发电单元（一洞两机）为原型，设计具体的虚拟仿真场景，强调水电站负荷变化对输水系统中调压室的水力现象的影响，让学生领悟引水式水电站调压室设计的基本理论以及影响因素。通过该实验课程的学习，实现如下具体目标：

(1)通过对引水式水电站的虚拟仿真，了解引水式水电站建筑物的组成，以及引水发电系统的构成；

(2)通过模拟水力发电过程，增强对水电站调压室水力现象的感性认识，验证和巩固理论知识；

(3)在虚拟仿真系统中，模拟真实水电站各种运行工况，探索各水力参数的变化规律和相互关系；

(4)在系统中设置不同的水电站水力参数和运行工况，模拟机组增、减负荷对机组转速、水锤压力以及调压室涌浪的影响；

(5)通过虚拟仿真实验，比较不同的调压室型式对引水式水电站布置设计的影响，优化调压室的设计方案；

(6)通过虚拟仿真实验，密切理论和实践的联系，培养运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力。

水电站是将水能转换为电能的综合体，发电量和电能质量与水轮机组的特性密切相关，往往在实验室中难以将机组的机械特性与水力系统联系在一起进行物理实验，而真实水电站运行后一般又不允许任意进行这样的试验，虚拟仿真实验为解决这一难题提供了有效的途径，尤其是对学生在学习“水电站”课程时，通过该平台，能够任意模拟水电站的运行参数和运行工况，观察在水电站发生事故时输水系统中的非恒流现象，记录有关参数，联系课程学习中水锤和调压室的有关理论，对实验结果进行分析，得出结论，加深对理论学习的认识，提高实践能力。

该实验课程通过模拟引水式水电站，从地形、地貌以及地质条件，到水电站主要建筑物，包括挡水建筑物、进水口建筑物、引水隧洞、水电站厂房各层的主要设备、中央控制室等真实场景，利用虚拟现实技术，将数值计算结果和3D模型有机结合，使学生有身临其境的感觉，将现实中无法让学生亲历的场景搬进课堂，直观有效地让同学们了解水电站的内部构造、主要设备以及运行条件，同时在中央控制室可以设置不同的水电站运行工况，以及事故情况下机组负荷的变化，并且让学生观察和记录在输水系统发生的调压室涌浪现象、主要部位水锤压力的变化过程，根据设计规范，判断调压室设计的合理性。

系统自动实时记录每次实验数据，如果输入参数选择超出范围，系统将给予反馈，学生可根据反馈信息，发现和解决问题，并纠正错误；如果学生多次进行实验，系统只保留最后一次实验结果；系统可自动生成实验结果及一些客观数据曲线，学生可下载实验数据，并对实验结果进行分析，得出结论。

该实验课程的实验要求如下：

(1)实验前进行理论学习，了解本实验的相关知识与内容；

(2)对理论知识进行预习并测试；

(3)进入引水式水电站虚拟漫游，360°观察水电站各个部分的特征，并了解他们的构造及主要设备；

(4)调压室水力虚拟仿真实验分为两个阶段，第一阶段为调压室基本实验，第二阶段为探索研究实验；

(5)第一阶段“调压室基本实验”中，针对单一参数对调压室涌浪的影响进行实验，找出规律，实验分为五个方案，每个方案选择一个参数进行实验：

方案一：水库运行水位对调压室涌浪的影响实验：在界面上的选值范围内设定一个水位，其余参数为默认值，按下“开始实验”键，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况，重复选择3~4个上库运行水位进行实验，找出上库运行水位与调压室最高涌浪的关系，实验完成后，弹出该方案考核题，完成答题即可获得该方案实验分数；

方案二：引水隧洞糙率对调压室涌浪的影响实验：在界面上的选值范围内设定一个隧洞糙率，其余参数为默认值，按下“开始实验”键，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况，重复选择3~4个隧洞糙率进行实验，找出隧洞糙率与调压室最高涌浪的关系，实验完成后，弹出该方案考核题，完成答题即可获得该方案实验分数；

方案三：压力管道糙率对调压室涌浪的影响实验：在界面上的选值范围内设定一个压力管道糙率，其余参数为默认值，按下“开始实验”键，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况，重复选择3~4个压力管道糙率进行实验，找出压力管道糙率与调压室最高涌浪的关系，实验完成后，弹出该方案考核题，完成答题即可获得该方案实验分数；

方案四：调压室型式对调压室涌浪的影响实验：在界面上的调压室类型的简单式、阻抗式、上室式和差动式中设定一种调压室类型，其余参数为默认值，按下“开始实验”键，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况，对四种类型的调压室进行实验，找出调压室类型与调压室最高涌浪的关系，实验完成后，弹出该方案考核题，完成答题即可获得该方案实验分数；

方案五：机组运行出力对调压室涌浪的影响实验：在界面上的选值范围内分别对1号机组、2号机组设定它们的运行出力（两台机组设定相同的出力），其余参数为默认值，按下“开始实验”键，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况，重复选择3~4组机组运行出力进行实验，找出机组运行出力与调压室最高涌浪的关系，实验完成后，弹出该方案考核题，完成答题即可获得该方案实验分数；

（6）第二阶段“探索研究实验”中，同时考虑多个参数对调压室涌浪的综合影响进行实验，通过实验优化参数组合，使其满足调压室设计规范的要求；

6.1 根据调压室水力设计的计算条件，设定上下游水位、引水隧洞/压力管道糙率、调压室型式、水电站运行的机组台数和负荷变化工况等实验条件，观察记录正常运行时，机组转速、出力等初始参数；

6.2按下“开始实验”键，通过屏幕上的虚拟压力仪表观察输水系统各部位的压力变化情况，以及虚拟的水位计观察和记录调压室水位的变化情况；

6.3 实验过程中，在五个预设的压力/水位的限制值，都没出现报警提示情况下，说明所有设定值是合理的，否则重新设定实验条件，直至实验过程无报警。

(7)导出实验数据和参数变化过程曲线；

(8)分析数据、与理论计算数据进行对比，得出结论；

(9)填写实验报告并提交。

该课程实验考核分为理论测试、虚拟仿真漫游、虚拟仿真实验成绩与实验报告评价四块组成。

理论测试（10%）：实验开始前对引水式水电站水锤及调压室的相关理论进行预习，并开展在线测试，根据答题情况给出理论测试分数；

虚拟仿真漫游成绩（10%）：系统设置了引水式水电站的漫游，学生可在线对引水式水电站的各组成建筑物的场景进行漫游，认识有关设备的布置和结构，根据漫游中所看到的内容回答有关问题获得分数；

虚拟仿真实验操作成绩（50%）：完成调压室基本实验的五个方案，获得40分，每实验方案完成后立即通过弹出窗进行考核，每一方案8分。完成探索研究实验成绩为10分，根据所选定的参数，规范所规定的所有控制点的数值不报警，即可得分。

实验报告评价（30%）：学生由下载实验数据，课后对数据进行分析，得出结论，并撰写实验报告在网上提交，教师对学生提交的实验报告进行评判，给出实验报告评价成绩。