水電站虹吸式進(jìn)水口工作過(guò)程CFD模擬==pdf英文空格顯示有誤

侯才水,陳 龍,王志寰

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程系,福建 永安 366000;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072)

虹吸是一種復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)多相流現(xiàn)象,在流體機(jī)械、給排水、水處理、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。水電站虹吸式進(jìn)水口是虹吸現(xiàn)象在水利工程中應(yīng)用的一種重要形式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、投資少、效益高且水流泥沙含量低等優(yōu)點(diǎn),特別適用于多泥沙河流上的小型水電站和泵站。虹吸式進(jìn)水口設(shè)計(jì)是否合理取決于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn):一是形成真空所需時(shí)間短;二是虹吸破壞時(shí)斷流過(guò)程安全可靠。

目前,水電站虹吸式進(jìn)水口設(shè)計(jì)研究的方法主要是理論分析結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和模型試驗(yàn),應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行研究的例子相對(duì)較少。文獻(xiàn)[1-4]針對(duì)虹吸理論及其工程應(yīng)用進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[5-7]依據(jù)流體力學(xué)知識(shí)和以往工程經(jīng)驗(yàn),考慮自身工程的具體情況,設(shè)定了虹吸式進(jìn)水口的體型和參數(shù);文獻(xiàn)[8]總結(jié)了確定虹吸式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)形式、主要參數(shù)、流道尺寸、進(jìn)水口淹沒(méi)深度和漸變段形式等方面的注意事項(xiàng)和經(jīng)驗(yàn)公式;文獻(xiàn)[9]通過(guò)模型試驗(yàn)分析了幾種方案下虹吸道內(nèi)的流態(tài);文獻(xiàn)[10]通過(guò)模型試驗(yàn),探討了虹吸式進(jìn)水口工作過(guò)程中的水力特性,總結(jié)了若干試驗(yàn)公式。理論計(jì)算不能得到非恒定兩相流不同位置處的壓強(qiáng)和流速,經(jīng)驗(yàn)公式往往引入較大的安全度,增加了工程量,而模型試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在比尺效應(yīng)問(wèn)題[11],CFD模擬可有效彌補(bǔ)上述研究手段的不足。

本文應(yīng)用CFD軟件Flow 3D對(duì)水電站虹吸式進(jìn)水口的虹吸形成過(guò)程(含抽真空過(guò)程)和虹吸破壞過(guò)程兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程進(jìn)行模擬研究,得到虹吸管道內(nèi)壓強(qiáng)、流速、水氣界面的分布和變化情況,為虹吸式水電站的設(shè)計(jì)研究及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 湍流模型

目前工程中應(yīng)用最廣泛的湍流模型是RANS k-ε模型,其計(jì)算量適中且精度較高?？紤]到虹吸式進(jìn)水口工作時(shí)水流流線彎曲程度較大且存在高應(yīng)變率的流動(dòng),采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行三維模擬,其對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能k和耗散率ε輸運(yùn)方程分別為[12]

式中各符號(hào)含義見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

1.2 自由面追蹤

針對(duì)虹吸管道內(nèi)水、氣兩相相互作用,采用VOF方法[13]追蹤自由水面,定義 αa和 αw分別為計(jì)算域內(nèi)空氣和水的體積分?jǐn)?shù),αw=1表示該單元完全被水充滿;αw=0表示該單元完全被氣充滿;0＜αw＜1表示該單元存在自由液面,部分是水,部分是氣。

確定水和氣的界面可以通過(guò)求解以下關(guān)于 αw的連續(xù)方程來(lái)實(shí)現(xiàn):

水相和氣相有共同的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng),但湍流模型中的密度和分子黏性系數(shù)則按體積分?jǐn)?shù)加權(quán)確定:

式中:ρw和 ρa(bǔ)分別為水和空氣的密度;μw和 μa分別為水和空氣的分子黏性系數(shù)。

1.3 求解方法及主要參數(shù)

采用Flow 3D軟件進(jìn)行計(jì)算,離散方程格式為一階迎風(fēng)格式,在非恒定湍流條件下采用壓力基隱式求解。由于是虹吸現(xiàn)象,考慮重力作用,其值為9.8m/s2。因水、氣相互作用故為兩相流,流體為20℃的水,空氣溫度為15℃,邊壁條件無(wú)滑動(dòng)。

2 虹吸式進(jìn)水口工作過(guò)程分析

2.1 計(jì)算條件

圖1 虹吸式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)示意圖

a.計(jì)算體型。某虹吸式進(jìn)水口電站設(shè)計(jì)水頭為16 m,引水流量為12m3/s。虹吸式進(jìn)水口流道由進(jìn)口段、駝峰段和漸變段三部分組成,見(jiàn)圖1。進(jìn)水口矩形斷面尺寸為2.6m×2.3 m(寬×高,下同),駝峰頂部矩形斷面尺寸為2.6 m×1.2m,駝峰兩側(cè)的傾角分別為60°和45°,因此駝峰的轉(zhuǎn)彎夾角為105°。駝峰斷面中心的轉(zhuǎn)彎半徑為2m,進(jìn)口段與駝峰段之間采用反弧段連接。壓力管道斷面為圓截面,其內(nèi)徑為1m,駝峰段與壓力管道之間采用由矩形漸變?yōu)閳A形的漸變段銜接,其長(zhǎng)度為6.45m。

b.網(wǎng)格劃分。因虹吸管體型在x方向上對(duì)稱(chēng),故只取一半進(jìn)行分析,并采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。由于虹吸管形狀不規(guī)則且邊界條件不同,故將計(jì)算域劃分3個(gè)區(qū)塊,其中區(qū)塊1模擬進(jìn)口段及反弧段,區(qū)塊2模擬壓力管道,區(qū)塊3模擬壓力前池,見(jiàn)圖2。總有效網(wǎng)格數(shù)約為475000個(gè)。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

c.邊界條件。壓力前池頂部為壓力邊界,水位為10.9m,壓力為0Pa;抽氣管和壓力管道端部為速度邊界,根據(jù)具體模擬工況給定速度值;其他邊界為默認(rèn)的對(duì)稱(chēng)邊界條件。

d.流體參數(shù)。虹吸式進(jìn)水口工作過(guò)程模擬涉及水、氣兩相流,且需要考慮流體的壓縮性,設(shè)水的壓縮性系數(shù)為5×10-10,空氣的壓縮性系數(shù)為1×10-5。

e.流場(chǎng)初始化。初始狀態(tài)時(shí)水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉,壓力前池水位保持不變;打開(kāi)充水閥,壓力前池通過(guò)充水管向壓力管道充水,直至水位與壓力前池內(nèi)水平齊平;關(guān)閉充水閥,水流靜止不動(dòng)。選擇駝峰斷面A點(diǎn)、漸變段B點(diǎn)、進(jìn)口斷面C點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn),用于分析局部點(diǎn)的水力特性。A,B,C三點(diǎn)均位于虹吸管對(duì)稱(chēng)剖面上,其坐標(biāo)、位置如圖1所示。

2.2 抽真空過(guò)程

a.抽真空過(guò)程水面變化。虹吸管中黑色表示水,白色表示空氣(下同),見(jiàn)圖3。在 t=0 s時(shí)反弧段和壓力管道內(nèi)水位齊平;隨著駝峰頂部空氣不斷被抽走,在上下游壓強(qiáng)差和駝峰處真空吸力的作用下水面不斷上升,t=180 s左右時(shí)反弧段的水體越過(guò)駝峰產(chǎn)生堰流;t=225 s時(shí)駝峰兩側(cè)水體液面齊平;t=300s時(shí)空氣基本被抽凈;此后抽氣速度逐漸減為零,抽真空任務(wù)完成。同時(shí),隨著抽氣的進(jìn)行,駝峰處負(fù)壓的絕對(duì)值不斷增大,t=300 s時(shí)駝峰頂部負(fù)壓值達(dá)到最大,空氣抽凈后該處負(fù)壓值基本穩(wěn)定。

圖3 抽真空過(guò)程水面變化

b.局部點(diǎn)壓強(qiáng)變化過(guò)程。抽真空過(guò)程中駝峰斷面A點(diǎn)處的壓強(qiáng)水頭逐步減小,當(dāng)空氣被抽凈后壓強(qiáng)水頭趨于穩(wěn)定,且在抽氣速度減至零的過(guò)程中,壓強(qiáng)水頭基本不變,最終穩(wěn)定在-1.70m左右,見(jiàn)圖4(a)。漸變段B點(diǎn)處的壓強(qiáng)水頭先變小后變大,因?yàn)樵擖c(diǎn)最初處于空氣中,隨著抽真空的進(jìn)行,空氣壓強(qiáng)逐漸減小;180 s后該點(diǎn)處于水中,水位不斷上升,壓強(qiáng)水頭逐漸增大;300 s后空氣基本被抽凈,該點(diǎn)的壓強(qiáng)水頭穩(wěn)定在-0.50m左右;650～660s內(nèi)抽氣速度逐漸減為零,該點(diǎn)的壓強(qiáng)水頭基本不變,見(jiàn)圖4(b)。

圖4 抽真空過(guò)程局部點(diǎn)壓強(qiáng)水頭變化過(guò)程

c.局部點(diǎn)流速變化過(guò)程。因駝峰斷面A點(diǎn)在270s時(shí)浸入水中,故270s之前為空氣流速,之后為水的流速。在120～450s之間A點(diǎn)流速波動(dòng)較大,隨著抽真空的進(jìn)行,于500s左右時(shí)vAy逐漸穩(wěn)定在0.045m/s,vAz逐漸穩(wěn)定在0.060m/s。抽氣速度減為零后(660 s后),vAy和vAz也減為零,見(jiàn)圖5(a)。漸變段 B點(diǎn)在180 s后浸入水中,120～450 s之間B點(diǎn)流速波動(dòng)較大,隨著抽真空的進(jìn)行,漸變段內(nèi)水體流動(dòng)逐漸穩(wěn)定并緩慢停止,vBy和vBz在500s之后接近零,見(jiàn)圖5(b)。

圖5 抽真空過(guò)程局部點(diǎn)流速變化過(guò)程

2.3 虹吸形成過(guò)程

抽真空完成后封閉駝峰頂部,開(kāi)啟水輪機(jī)導(dǎo)葉,以抽真空結(jié)束狀態(tài)為計(jì)算初始條件。為使虹吸迅速形成,且與水電站實(shí)際運(yùn)行情況相符,將計(jì)算域中壓力管道端部設(shè)為流速出口,出口流速由零逐漸增加到1.6 m/s,然后以這一速度出流;其他邊界條件不變,計(jì)算體型和網(wǎng)格劃分情況也不變。

a.局部點(diǎn)壓強(qiáng)變化過(guò)程。虹吸形成過(guò)程中駝峰斷面A點(diǎn)、漸變段B點(diǎn)處的壓強(qiáng)水頭起初波動(dòng)較大,隨著計(jì)算域內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)漸趨恒定,波動(dòng)逐漸平穩(wěn),最后A點(diǎn)壓強(qiáng)水頭穩(wěn)定在-1.863 m左右,B點(diǎn)壓強(qiáng)水頭穩(wěn)定在-0.665m左右,見(jiàn)圖6。

圖6 虹吸形成過(guò)程局部點(diǎn)壓強(qiáng)水頭變化過(guò)程

b.局部點(diǎn)流速變化過(guò)程。當(dāng)t=660 s時(shí)抽氣速度為零,整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的水體幾乎靜止,A點(diǎn)和B點(diǎn)處的流速約為零;當(dāng)t=660～676 s時(shí)隨著壓力管道端部流速逐漸增大,A點(diǎn)和B點(diǎn)處的流速也逐漸增大,700 s后流場(chǎng)基本穩(wěn)定。最后,vAy穩(wěn)定在1.71m/s,vAz穩(wěn)定在0.25m/s,即 A點(diǎn)的流速約為1.73m/s;vBy穩(wěn)定在1.44m/s,vBz穩(wěn)定在-0.70m/s,即B點(diǎn)的流速約為1.60m/s,見(jiàn)圖7。

圖7 虹吸形成過(guò)程局部點(diǎn)流速變化過(guò)程

2.4 虹吸破壞過(guò)程

虹吸形成后關(guān)閉壓力管道端部,同時(shí)打開(kāi)真空破壞閥讓空氣進(jìn)入,從而使虹吸破壞。以虹吸形成后的穩(wěn)定狀態(tài)為計(jì)算初始條件,真空破壞閥處設(shè)為壓力邊界,壓力管道末端設(shè)為流速邊界,其他邊界條件不變,計(jì)算體型和網(wǎng)格劃分情況也不變。

圖8 虹吸破壞過(guò)程水面變化

a.虹吸破壞過(guò)程水面變化。t=760 s時(shí)壓力管道末端流速開(kāi)始減小,真空破壞閥打開(kāi),此時(shí)進(jìn)水口內(nèi)仍充滿水;t=761 s時(shí)空氣從真空破壞閥進(jìn)入駝峰段,進(jìn)水口內(nèi)的水體在重力作用下開(kāi)始下降,見(jiàn)圖8(a);t=763 s時(shí)由于駝峰頂部真空度減小,漸變段和壓力管道內(nèi)的水向反弧段溢出,在重力作用下反弧段水位下降至最低點(diǎn),見(jiàn)圖8(b);t=764 s時(shí)由于壓力前池的反射作用,反弧段水位上升至高于壓力前池水位的位置,壓力管道端部流速逐漸減為零,見(jiàn)圖8(c);此后,反弧段水體不斷波動(dòng)并在t=775 s后漸趨穩(wěn)定在壓力前池水位高程,漸變段和壓力管道內(nèi)水體逐漸靜止,水位穩(wěn)定,見(jiàn)圖8(d)?？梢?jiàn),整個(gè)虹吸進(jìn)水口斷流時(shí)間很短(大約15 s),斷流迅速。

b.局部點(diǎn)壓強(qiáng)變化過(guò)程。在虹吸破壞過(guò)程中漸變段B點(diǎn)處的壓強(qiáng)水頭在775 s后經(jīng)過(guò)短暫波動(dòng)便漸趨平穩(wěn),最后穩(wěn)定在0.55m,見(jiàn)圖9(a)。進(jìn)口斷面C點(diǎn)處的壓強(qiáng)水頭則不斷波動(dòng),這是因?yàn)榉椿《嗡w不斷上下波動(dòng)所致;隨著反弧段水體波動(dòng)逐漸減弱,進(jìn)口段壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定,C點(diǎn)壓強(qiáng)水頭穩(wěn)定在2.80m,見(jiàn)圖9(b)。

圖9 虹吸破壞過(guò)程局部點(diǎn)壓強(qiáng)水頭變化過(guò)程

3 結(jié) 論

a.在虹吸式進(jìn)水口工作過(guò)程中,駝峰頂部的壓強(qiáng)值最低。陳革強(qiáng)等[3]認(rèn)為駝峰頂部最大真空度出現(xiàn)在整根虹吸管形成正常流速后,即虹吸穩(wěn)定后。但實(shí)際模擬過(guò)程中,筆者發(fā)現(xiàn)駝峰頂部真空度在抽真空之后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的波動(dòng)才達(dá)到恒定值,即文獻(xiàn)[3]所認(rèn)為的“最大真空度”,因而實(shí)際最大真空度出現(xiàn)在虹吸穩(wěn)定前的某一時(shí)刻,其數(shù)值與恒定值存在一定偏差,在具體工程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加以考慮。

b.抽真空速度與壓力波動(dòng)幅度成正比。為了保證壓力波動(dòng)不至于過(guò)大,抽真空速度應(yīng)加以控制。虹吸穩(wěn)定后,真空度的恒定值由虹吸高度(駝峰頂部高程與壓力前池水位之差)和駝峰前管段中的水頭損失共同組成。

c.虹吸破壞后駝峰兩側(cè)水體平穩(wěn)性存在較大差異。虹吸破壞階段空氣由真空破壞閥進(jìn)入駝峰后駝峰左側(cè)(反弧段)水體在壓力前池水位所在高程附近振蕩,需較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到平穩(wěn);駝峰右側(cè)(漸變段和壓力管道)水體在壓力管道關(guān)閉后的較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn),虹吸破壞時(shí)間只需數(shù)十秒。

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