引水電站側向進水口體型設計的數值模擬研究

楊帆, 刁明軍, 薛宏程

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川 成都 610065)

引水電站側向進水口體型設計的數值模擬研究

楊帆, 刁明軍, 薛宏程

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川 成都 610065)

引水電站側向進水口因河流主流方向與引水管水流方向垂直, 易出現(xiàn)貫通式吸氣漩渦. 為研究進水口合理體型, 采用RNG k-ε 方程紊流模型對四種不同體型電站進水口水流運動進行數值模擬. 分析進水口內水流運動螺旋流線、漩渦強度、引水管進口流場分布情況, 比較四種體型(大喇叭口型, 鐘型, 碗型, 不對稱型)進水口的差異. 得出碗狀進水口內水流流態(tài)更好, 不易出現(xiàn)貫通性漩渦, 水力損失較小, 體型設計具有相對優(yōu)勢, 對于側向進水口體型設計有參考意義.

側向進水口; 數值模擬; 螺旋流線; 漩渦強度; 碗狀進水口

1 引言

引水工程水電站進水口體型設計主要考慮流態(tài)平穩(wěn)順暢, 并且水頭損失小. 電站正常運行時, 避免出現(xiàn)貫通式漏斗漩渦. 貫通式漏斗漩渦的出現(xiàn)會導致過流能力降低, 機組效率降低, 水流脈動加劇, 結構振動, 卷吸漂浮物等危害.[1]有壓式進水口底板高程設計, 應保證在上游最低運行水位時進水口仍有足夠的淹沒深度, 保證口門流態(tài)平穩(wěn).[2]

因地址條件或輸沙要求等限制, 工程中常有側向布置的取水樞紐, 庫區(qū)主流方向與電站引用水流方向垂直,水流在進水口處出現(xiàn)較大偏轉, 形成環(huán)流, 容易導致水流不平穩(wěn)均勻, 出現(xiàn)漩渦, 嚴重的產生危害較大的貫通性吸氣漩渦. 側向進水口的體型設計, 關系到水頭損失的大小, 水流能否平順的進入電站, 電站的正常運行.

從現(xiàn)有研究知道, 進水口前漩渦受邊界條件和初始環(huán)量影響[3]. 取水角度的大小對進水口近區(qū)水域的水流結構影響非常顯著.[4]鄧淑媛通過工程經驗分析了貫通性漏斗漩渦的形成過程. 來流受到進水口邊界約束, 產生收縮導致水流流向及能量發(fā)生較大變化, 進水口前水位雍高產生一個水流滯留區(qū). 這部分水體易出現(xiàn)表面環(huán)流產生漏斗形貫通漩渦. 水力模型試驗研究因難以同時滿足Fr 相似、Re 相似、We 相似, 具有一定的縮尺效應.[5]葉茂等采用RNG k-ε紊流模型對有無防渦墩兩種情況進行模擬,再現(xiàn)了漏斗狀吸氣旋渦,計算結果與測量數據吻合良好,驗證了旋渦模擬的可行性.[6]高學平通過數值模擬分析了體型對于進水口孔口附近流態(tài)和水頭損失的影響.[7]吳潔康等利用數值模擬, 分析側向進水口漩渦水面線以及三維流速分布, 并根據其運動軌跡將漩渦運動分為三部分.[8]V. S. Neary關于側向進水口三維流動復雜模型, 提供了實驗室研究所達不到的細節(jié)資料.[9]針對漩渦的數模與試驗和實際情況吻合良好, 說明了數值模擬的可靠性.

2 研究方法

2.1 數學模型

采用RNG k-ε 方程模型, 控制方程如下:

2.2 計算模型及區(qū)域網格劃分

根據水電站進水口設計規(guī)范, 一般要求引水工程進水口喇叭口體型宜為流線形或鐘形, 體型曲線宜選用橢圓曲線或圓曲線. 本文計算模型參照某首部樞紐引水電站, 建模時考慮并簡化上游庫區(qū), 電站進水口, 引水管,下游河道, 對于重點研究區(qū)域電站進水口, 進行網格加密處理(見圖1). 計算區(qū)域均為六面體結構化網格, 同時調整網格走向與水流方向大致相同, 保證數值計算的準確性. 模型上游庫區(qū)正常蓄水位988m, 下泄流量為3330m3/s, 電站引用流量為100m3/s, 進水口底高程為970m, 引水管道直徑為7m. 閘墩為半徑1m的圓形墩頭,長5.32m, 寬2m(見圖2). 進水口與引水管道之間由高程從982m降到977m的橢圓弧壓坡連接.

本文針對四種不同體型的側向進水口進行模擬, 比較其水力特性的差異. Ⅰ型為大喇叭口型進水口, Ⅱ型為鐘形進水口, Ⅲ型為碗型進水口, Ⅳ型為不對稱型進水口. 四種體型的主要差異在進水口弧線, 在高程及最終引水管道連接處均一致(見圖3). 庫區(qū)進口面分為上部空氣進口和下部水進口, 空氣進口為壓力進口, 保證上游正常蓄水位及下泄流量, 設定水進口為速度進口. 電站引水管道保證引用流量穩(wěn)定在100m3/s.

圖1 數值模擬區(qū)域Fig.1 the Numerical Simulation Region

圖2 電站進水口網格劃分Fig.2 the Mesh Generation in the Intake

圖3 四種體型電站進水口Fig.3 Four Types of Intakes

3 模擬結果分析

3.1 三維流線分析

圖4 進水口多圈螺旋流線Fig.4 the Flow Motion Stream Lines in the Intakes

四種體型在相同邊界及初始條件下, 進水口內主要螺旋流線如圖4, 圖中白線為水氣交界面. Ⅰ型無擴散段,水流在進水口受右邊界約束, 向中心擠壓, 強制轉向, 出現(xiàn)從水面上方垂直貫通直到進水口底板的流線, 極易形成貫通式吸氣漩渦; Ⅱ型左側進水口擴散段弧線向內收縮, 擾亂水流旋轉走向, 螺旋流線混亂, 水流紊動強烈,進入引水管內的流線起伏波動較大, 水流不平穩(wěn), 出現(xiàn)水流沖擊管壁現(xiàn)象; Ⅲ型右側流線螺旋渦心位置及半徑變化幅度不大, 并未延伸到水面不易形成貫通漩渦, 左側下部流態(tài)紊亂; Ⅳ型進水口右側出現(xiàn)與Ⅰ型相似的貫通垂直流線, 進水口左側引導弧線較長, 類似Ⅰ型, 螺旋線半徑隨高度降低而減小, 最后平順進入引水管. 比較四種體型, 右側Ⅲ型效果較好, 左側Ⅳ型相對較好.

3.2 流線及漩渦強度分析

圖5 Z=975m截面流線及漩渦強度分布圖Fig.5 the Distribution Diagrams of the Vorticity Magnitude in the Z=975m Section

取出Z=975m處的截面, 此處為引水管中上部位置, 做出相應流線及漩渦強度分布圖(圖5). 水流從上游進入垂直方向的引水管, 進水口右側水流形成順時針繞流, 四種體型水流均出現(xiàn)逆時針旋轉, 漩渦中心強度Ⅰ型和Ⅱ型最大, 達到1s-1; 左側水流進入進水口, 在無足夠空間時, 水流以較大流速進入引水管, 同時擠壓右側水流, 如Ⅰ型, 在左側空間較大時, 水流形成逆時針旋轉, Ⅱ型漩渦中心強度最大, 達到1.1s-1,原因為進水口經擴散段后迅速收縮, 水流集中約束在擴散段內, 紊動強烈. Ⅲ型和Ⅳ型在左右兩側均留出部分空間使水流調整流向,Ⅳ型進水口弧線變化更貼近水流流線, 漩渦半經小. 可知進水口邊墻弧線設計需考慮引導水流, 并提供水流調整空間.

3.3 流場分析

進水口內水流經流態(tài)調整, 進入與河道主流垂直的引水道. 為保證電站的正常運行, 要求經調整的水流, 水頭損失小, 同時進入引水道的流態(tài)平穩(wěn). 本文取出水流經調整后進入引水道的初始斷面(X=14m)分析, 比較四種體型水流流速, 流場分布情況. 流場分布見圖6.

圖6 X=14m斷面四種體型進水口流場圖Fig.6 the Diagrams of Flow Field in the X=14m Section at the Intakes

四種體型流速大小均在1.2-1.8m/s的范圍內, Ⅰ型和Ⅲ型流速最大值均集中在斷面中心位置, 向四周均勻減小, 從流向分析, Ⅰ型有逆時針旋轉的趨勢, Ⅲ型有順時針旋轉的趨勢. Ⅱ型和Ⅳ型流速最大值集中在斷面右側中下部, 左側下部水流流速比右側平均小0.4m/s,說明水流在進水口并未調整均衡, 進入引水道的水流將從右側沖撞左側管壁, 進一步調整, 并帶來水頭損失. 分析原因為Ⅱ型進水口在靠近引水道位置, 向中部收縮, 水流調整的空間不夠, 左右側水流不平衡; Ⅳ型從閘墩兩側進入進水口的流量因左側進水寬度大, 左側水流流量大, 進入進水口后擠壓右側水流空間, 導致在X=14m斷面處右側水流流速大. 進水口左右側水流流量, 流速, 流向的差異均可能導致引水管內部流態(tài)的紊亂, 以及較大的水頭損失, 左右對稱設計能較好的保證引水管內流態(tài)的平穩(wěn)均勻.

4 結論與討論

考慮數值模擬計算花費少、方案改變快、信息完整、模擬能力強、不存在比尺效應的特點, 本文對四種體型進水口進行模擬, 分析主要旋轉螺旋流線、流線與渦量、流場, 比較四種體型的水力特性.

Ⅰ型大喇叭口體型在進水口右側擠壓水流, 易出現(xiàn)貫通吸氣漩渦; Ⅱ型鐘形進水口收縮弧線較陡, 進水口內水流調整空間小, 渦強較大, 引水管進口斷面流場分布不均勻, 引水管內流線起伏波動大, 水流不能順暢平穩(wěn)進入引水管; Ⅲ型碗狀進水口水流擴散調整空間大, 引水管內流態(tài)較好, 左側進水口弧線需進一步優(yōu)化; Ⅳ型不對稱進水口因兩側進水寬度不一致, 兩側流量差異, 兩股水流相互作用, 導致引水管進口斷面流場分布不均勻.

通過四種不同體型進水口的比較, 得出碗狀進水口在以上水力特性上具有優(yōu)勢, 同時結合不對稱進水口的優(yōu)勢考慮, 可在進水口上游加上斜導墻, 引導水流以一定夾角方向進入進水口, 改善左側水流流態(tài).

[1] 陳云良. 進水口前立軸漩渦的水利特性的研究[D]. 成都: 四川大學, 2006.

[2] 黨媛媛,韓昌海.進水口漩渦問題研究綜述[J]. 水利水電科技進展, 2009,29(1):90-94.

[3] NEVZAT YILDIRIM, FIKRET KOCABAS, SALIH CEM GULCAN. Flow-boundary effects on critical submergence of intake pipe[J]. Journal Of Hydraulic Engineering, 2000(126): 288-297.

[4] 楊帆. 明渠岸邊側向取水的“取水角效應”研究[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2008,6(1):44-53.

[5] 鄧淑媛. 邊界條件對進口水而漩渦的的影響及其克服方法的探討[C]. 中小型工程水力學學術討論會論文集下冊第70號論文, 1985.

[6] 葉茂, 伍超, 楊朝輝, 等.進水口前立軸旋渦的數值模擬及消渦措施分析[J].四川大學學報: 工程科學版, 2007,39(2):36-39.

[7] 高學平, 葉飛, 宋慧芳.側式進出水口水流運動三維數值模擬[J]. 天津大學學報, 2006,39(5):518-522.

[8] 吳杰康, 夏明月. 側向進水口立軸旋渦數值模擬[J]. 人民黃河, 2012, 34(1): 139-141.

[9] V S NEARY, F SOTIROPOULOS, A J ODGAARD. Three-dimensional numerical model of Lateral-intake inflows [J]. Journal Of Hydraulic Engineering, 1999(125): 126-140.

Numerical simulation study of the shape design at horizontal intakes

YANG Fan, DIAO Ming-jun, XUE Hong-cheng
( State Key Lab of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.)

The storied relation between the river flow direction and the water direction in the aqueduct, brings about through type inspiration vortex easily in the cited hydropower lateral intake. In order to study the reasonable shape of water intakes, the flow in four types of intakes (the big horn mouth shape, the bell shape, the bowl shape, the asymmetric shape) was simulated numerically using the RNGturbulent model. A few hydraulic characteristics were investigated and compared, which were the flow motion stream line, the vorticity magnitude and the distribution of flow field at the entrance of aqueduct. The results show that the bowl-shaped intake has advantage in the flow condition and the head loss, and is not easy to bring about through type vortex. The research is in prospect of reference for the similarity intake design.

horizontal intake; numerical simulation; spiral flow line; vorticity magnitude; bowl-shaped intake

TV67

: A

1003-4271(2014)03-0410-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.16

2014-03-05

楊帆(1990-), 女, 四川德陽人, 碩士研究生, 研究方向: 水工水力學. Email: 695634834@qq.com

刁明軍(1968-), 男, 四川簡陽人, 教授, 博士, 博士生導師, 研究方向: 水工水力學. Email: diaomingjun@scu.edu.com.