（1）学生交互性操作步骤，共16步

（2）交互性步骤详细说明

步骤1：水电站认知。学生登录虚拟仿真平台后，进入引水式电站水力系统设计虚拟仿真系统主界面，点击“有压引水式电站工程认知模块”和“水轮机结构认知模块”，点击“开始学习”，进入工程认知模块界面和水轮机结构认知模块截面；在工程认知模块，学生可在重力坝、下游场景、发电机层、半剖场景四个场景采取“重力模式”或“飞行模式”进行漫游，熟悉有压进水口、引水隧洞、调压室、压力管道、水电站厂房等主要建筑物的布置，以及电站厂房内部结构和布置；在水轮机结构认知模块，学生可以对混流式、轴流式、灯泡贯流式和水斗式四种水轮机进行拆解和组合，完成不同类型水轮机的结构认知。

图3-6-1 引水式电站水力系统设计虚拟仿真系统主界面

图3-6-2 有压引水式电站工程认知模块界面

图3-6-3 水轮机结构认知模块界面

步骤2：输入水电站基本参数。系统显示参数输入面板，学生需根据给定的工程背景资料，手动输入以下参数：设计水头（m）、单机容量（万kW）、海拔高程（m）、最大水头（m）、最小水头（m）等。系统对输入值进行合法性校验（如范围限制、数据类型），若输入异常，弹出提示并要求重新输入。

步骤3：根据特征水头，选择水轮机型号。系统展示水轮机型号数据库，包含混流式、轴流式等多种型号及其适用水头范围。学生根据步骤2中输入的设计水头（最大/最小水头），从下拉列表中选择匹配的水轮机型号。

步骤4：计算并输入转轮标称直径、额定转速、水轮机最大引用流量。学生基于步骤3选择的型号，利用公式进行计算。在输入框中依次填写：转轮标称直径（m）、额定转速（r/min）、效率（%）、最大引用流量（m³/s）、最大单位转速（r/min）、最小单位转速（r/min）。全部数据计算输入完成后，点击“验算”按钮，系统验证计算值是否正确，选型是否合理，若错误系统将给出提示。

图3-6-4 水轮机选型设计步骤

步骤5：根据计算结果，输出运转特性曲线，验证运行效率，验证选型，如不满足，重新调整选型。系统将根据学生输入的水轮机参数，自动生成该水轮机的工作范围及该机型在水电站运行水头范围内的运转特性曲线。学生需观察水轮机的工作范围和运转特性曲线，确认选型是否合理。若不满足，学生返回步骤3进行调整。

图3-6-5 水轮机运转特性曲线

步骤6：设定各管段的管道长度、管道直径、管道糙率。系统展示压力管道三维分段示意图（如上游引水隧洞、调压室、压力钢管等）。学生针对每个管段，在表格中输入长度（m）、直径（m）、糙率系数。输入完成后，计算沿程水头损失和局部水头损失，并验证正确性，系统附工艺图辅助计算。要求输入不同数据，完成3组实验，并分析不同管道长度、直径、糙率对水头损失的影响。

图3-6-6 水力计算过程

步骤7：设置活动导叶线性关闭时间、水轮机初始流量、仿真总时间，运行仿真。系统显示工况参数设置界面。学生需设置：导叶关闭时间Ts（s）、初始流量Q0（m³/s）、仿真总时长T（s），设置完成后，点击“开始实验”按钮，系统调用后端水力过渡过程计算引擎。要求输入不同导叶关闭时间，完成3组实验。

图3-6-7 工况参数设置界面

步骤8：观察水击波的传播过程，记录水流流量和管道压力变化过程，分析减小水击压力的措施。仿真运行时，压力管道模型表面以颜色渐变三维图（红-黄-绿-蓝）显示水击压力的空间分布；同时，系统动态绘制“压力-时间”曲线、“转速-时间”曲线和“流量-时间”曲线。学生可点击管道关键节点断面，查看该处的压力、流量时程数据。仿真结束后，学生可将自己计算结果与系统进行比对，验证计算的正确性，并分析减小水击压力的措施。分析3组实验中，管道压力和水轮机转速的变化情况，并分析减小水击压力的措施。

图3-6-8 工况曲线图

步骤9：压力管道水力瞬态计算：计算最大水击压力上升率，水轮机转速变化率，与规范对比，如不满足，调整关闭时间，重新验证。学生分别根据3组实验中最大水击压力上升率和水轮机转速变化率的计算结果，与规范值对比，验证设计的合理性，找到合适的导叶关闭时间；若超限，学生可返回步骤7，调整导叶关闭时间（如延长或缩短），重新运行仿真。学生通过多次迭代，找到满足规范且经济合理的关闭时间。系统记录每次调整后的关键参数，供学生撰写实验报告时分析。

步骤10：选择调压室位置。系统展示引水系统纵剖面图，学生自主设置调压室位置。学生需根据“调压室应靠近厂房”等原则，在剖面图上点击选择合适位置。选择后，系统高亮显示该位置，并提示选址依据。

图3-6-9 调压室位置选择界面

步骤11：选择调压室类型（简单式、差动式、阻抗式）。系统提供三种调压室由学生自由选择，学生需对每一种类型进行实验，并分析每种调压室类型的特点和适用条件；选择类型后，系统自动加载该类型对应的水力计算模型。

图3-6-10 调压室类型选择界面

步骤12：输入引水道参数，计算托马断面面积。系统显示引水道参数输入面板，包括：引水道长度L（m）、引水道截面积f（m²）、水头损失系数等，然后运用托马断面计算公式进行计算；学生输入后，点击“验算”按钮（系统后台自动调用托马稳定断面公式计算理论最小断面面积），验算计算是否准确。学生需在此基础上，拟定实际设计断面面积。

图3-6-11 调压室托马断面面积计算

步骤13：输入导叶关闭时间，启动水位波动仿真，观察调压室水位波动过程。学生输入导叶关闭时间（可与步骤7中的时间不同，模拟不同扰动工况），点击“开始实验”；系统自动生成调压室水位波动曲线、“转速-时间”曲线、“压力-时间”曲线、“流量-时间”曲线以及以动态输水过渡过程曲线，展示调压室内水位上升、下降、逐渐衰减的全过程。要求完成3组实验，分析不同导叶关闭时间对调压室水位波动的影响。

图3-6-12 调压室设计中工况参数设置界面

图3-6-13 调压室设计中工况曲线图

步骤14：记录调压室最大涌波水位及最小涌波水位，调压室水位和节点水力参数的变化过程，分析波动曲线，判断稳定性，若不稳定，返回步骤12调整尺寸。仿真结束后，学生分别根据3组实验的调压室水位波动曲线标出最高涌波水位（Zmax）和最低涌波水位（Zmin），需在实验报告中填写记录数据，并判断波动是否收敛（稳定）或发散（不稳定）。若不稳定，返回步骤12调整调压室断面面积，重新进行仿真验证。

步骤15：比较三种不同类型调压室相同工况下的水位波动变化，选择最适用于本工程条件的调压室类型。学生依次点击“简单式调压室、差动式调压室、阻抗式调压室”，设置与步骤13相同的导叶关闭时间，点击“开始实验”；系统自动生成调压室水位波动曲线、“转速-时间”曲线、“压力-时间”曲线、“流量-时间”曲线以及以动态输水过渡过程曲线，展示调压室内水位上升、下降、逐渐衰减的全过程；仿真结束后，学生完成对比结论，选择“最适用于本工程条件的调压室类型”。

步骤16：完成实验报告。通过对实验数据进行分析，得出实验结论，培养实验报告的写作能力，以及分析问题和解决问题的能力。

图3-6-14 实验报告