白鶴電廠泵房進(jìn)水間導(dǎo)流板傾角優(yōu)化數(shù)值模擬

李家海, 桂林, 劉鵬

(四川大學(xué)水電學(xué)院, 四川 成都 610065)

白鶴電廠泵房進(jìn)水間導(dǎo)流板傾角優(yōu)化數(shù)值模擬

李家海, 桂林, 劉鵬

(四川大學(xué)水電學(xué)院, 四川 成都 610065)

基于Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型, 采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和SIMPLEC算法對(duì)白鶴發(fā)電廠二期工程取水泵房進(jìn)水間流道進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算, 并對(duì)進(jìn)水間前導(dǎo)流板角度變化時(shí)流態(tài)變化進(jìn)行比較計(jì)算, 確定較優(yōu)的導(dǎo)流角, 增強(qiáng)泥漿泵的排沙效果. 計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)前導(dǎo)流板角度為30o和后導(dǎo)流板角度為35o時(shí)有較好的流態(tài), 此時(shí)流道底板附近流速較大, 并且整個(gè)流道內(nèi)有較強(qiáng)烈的湍動(dòng)流產(chǎn)生, 大部分泥沙可以達(dá)到?jīng)_淤平衡. 對(duì)多泥沙河流泵房取水間的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維護(hù)有一定的參考價(jià)值.

數(shù)值模擬; 進(jìn)水間; 導(dǎo)流角;模型

白鶴發(fā)電廠位于重慶市開縣境內(nèi), 電廠一期工程裝機(jī)100MW, 二期擴(kuò)建裝機(jī)2X300MW, 取水水源均為東里河. 二期取水口位于一期工程取水口上游約800m的右岸, 其取水泵房進(jìn)水間共兩個(gè)進(jìn)水窗口, 相應(yīng)有兩個(gè)進(jìn)水流道, 其進(jìn)口寬度4706mm, 進(jìn)口底板海拔高程172.20m, 水泵房布置四臺(tái)16SAP-95A型水泵(流量為900-1260m3/h), 三臺(tái)工作, 一臺(tái)備用, 分別由兩臺(tái)水泵從一個(gè)進(jìn)水間取水. 東里河河水中懸移質(zhì)較多, 推移質(zhì)較少, 平時(shí)河水清澈, 洪水時(shí)則河水渾濁. 河流洪水期含沙量較高, 取水泵房進(jìn)水間水流流速慢, 容易造成泥沙淤積, 對(duì)發(fā)電廠正常工作造成了重大威脅. 本文采取優(yōu)化水泵房進(jìn)水間流道, 增加導(dǎo)流板的措施來減少取水間泥沙淤積量, 并通過數(shù)值模擬來比較改造前后的流道流態(tài)和改造后前導(dǎo)流板角度不同時(shí)的流態(tài), 從而確定最優(yōu)導(dǎo)流角[2]. 前導(dǎo)流板角度為30o進(jìn)水間結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 前導(dǎo)流板角度為30o進(jìn)水間結(jié)構(gòu)Fig.1 The former guiding angle is 30owater channel structure

近年來, 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸成熟起來, 并被廣泛應(yīng)用到流場(chǎng)計(jì)算中. 本文取白鶴發(fā)電廠一個(gè)取水泵房進(jìn)水間工作頻率較高的某一工況(進(jìn)水間水位高程為176.30m, 流量為1864m3/h)來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[3]. 分別對(duì)設(shè)計(jì)原型和改造后的三個(gè)不同前后導(dǎo)流板角度的模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并利用水力學(xué)知識(shí)進(jìn)行比較分析, 以論證改造方案的可行性和確定最優(yōu)導(dǎo)流角. 采用SolidWorks軟件建立三維模型, 借助Gambit軟件對(duì)模型流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件定義, 利用Fluent軟件對(duì)四個(gè)不同的模型流道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維粘性流動(dòng)數(shù)值計(jì)算, 得到了各個(gè)流道在不同流道結(jié)構(gòu)和布置的流態(tài), 利用水力學(xué)知識(shí)比較改造前

后的流態(tài)和比較不同導(dǎo)流角模型的流態(tài). 本文對(duì)取水口的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考.

1 模型與計(jì)算理論

1.1 流體控制方程

本文用清水代替實(shí)際水流來進(jìn)行計(jì)算, 并考慮到進(jìn)水間水流速度慢, 水流液面變化很小的因素, 把取水口流道中的清水流動(dòng)看作是非定常三維粘性不可壓縮的液態(tài)單相流, 因此本文采用k-ε方程模型進(jìn)行數(shù)值模擬,從而該流體滿足如下流動(dòng)方程組[4]:

連續(xù)性方程:

1.2 模型和計(jì)算網(wǎng)格

本模型是水泵取水間流道模型, 模型構(gòu)建過程中忽略了攔污柵和進(jìn)水間閘門的影響, 模型尺寸見表1.本文中計(jì)算模型流道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差, 為了能順利的對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算, 在劃分網(wǎng)格時(shí)采用四面體和六面體網(wǎng)格[5]. 由于本文需要對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算并比較, 為了保證比較結(jié)果的準(zhǔn)確性, 對(duì)三個(gè)模型的網(wǎng)格劃分方式和大小保持一致性, 模型1網(wǎng)格劃分見圖2.

1.3 模型流道邊界條件設(shè)置

圖2 模型1的網(wǎng)格劃分Fig.2 The mesh division of model 1

表1 模型尺寸Table 1 The size of model

進(jìn)口: 速度進(jìn)口(VELOCITY_INLET), 速度值為0.027m/s.

出口: 自由出流(OUTFLOW).

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 速度矢量圖

圖3 模型1速度矢量Fig.3 The velocity vector of model 1

由圖3可以看出, 水流是呈現(xiàn)一個(gè)急劇壓縮后急劇擴(kuò)散的一個(gè)過程. 前導(dǎo)流板以下流道底板附近水流速度沿著水流方向逐漸增大, 但是在前導(dǎo)流板與后導(dǎo)流板之間流道底板附近水流流速逐漸減小. 此模型流道底板附近流速沿著水流方向變化較大, 泥沙在流速較大的地方不易沉積, 但是在流速減少的地方泥沙淤積比較嚴(yán)重,

并且水流與前導(dǎo)流板之間撞擊和脫流比較嚴(yán)重.

圖4 模型2速度矢量Fig.4 The velocity vector of model 2

由圖4可以看出, 水流在經(jīng)過前導(dǎo)流板后, 流道底板附近流速大小分布比較均勻, 沒有較大的變化, 能夠較好的減少水流中泥沙在流道底板沉積. 水流與前導(dǎo)流板正面和背面接觸較為平緩, 撞擊和脫流現(xiàn)象不嚴(yán)重.

圖5 模型3速度矢量圖Fig.5 The velocity vector of model 3

由圖5可以看出, 前導(dǎo)流板以下流道底板附近和前導(dǎo)流板與后導(dǎo)流板之間速度較小, 水流中泥沙容易沉積.

2.2 水流速度和湍動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比分析

取水泵房進(jìn)水間的泥沙沉積程度與水流流態(tài)有較密切關(guān)系, 評(píng)估該種水力條件的重要參數(shù)是流速和湍動(dòng)強(qiáng)度[6]. 在對(duì)進(jìn)水間加裝導(dǎo)流板之后, 在導(dǎo)流板處減小了過水?dāng)嗝娴臐裰? 增加了水力半徑, 在相同的流量時(shí), 該過水?dāng)嗝嫠魉俣仍龃? 湍流強(qiáng)度增強(qiáng), 并在導(dǎo)流板附近前后形成渦流, 減少了泥沙沉積量, 尤其是前導(dǎo)流板角度為30o時(shí)底板水流流速較大, 水流湍動(dòng)較強(qiáng)烈, 有效的提高了取水泵房進(jìn)水間的可靠性和經(jīng)濟(jì)性.

圖6 模型比較取點(diǎn)位置Fig.6 The pointing position of model compare

為了比較模型前擋流板以下底板附近泥沙淤積程度, 并考慮到最優(yōu)擴(kuò)散角為15o, 取前導(dǎo)流板角度為30o模型底板附近的A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)(如圖6所示), 每個(gè)點(diǎn)所在線段與相鄰之間夾角為5o, 距離進(jìn)水間流道底板0.1m. 利用FLUENT的后處理功能, 分別獲取各個(gè)模型在這四個(gè)點(diǎn)處的速度值和湍動(dòng)強(qiáng)度值, 將其分別繪制到相應(yīng)的兩個(gè)圖表上, 如圖7和圖8所示.

圖7 A、B、C、D點(diǎn)流速分布圖Fig.7 The velocity distribution of A,B,C,D

圖8 A、B、C、D點(diǎn)湍動(dòng)強(qiáng)度Fig.8 The turbulence intensity of A,B,C,D

如圖7所示, 與另外兩個(gè)模型流道相比, 前導(dǎo)流板角度為30o的模型2流道中A、B、C、D四點(diǎn)的流速值差

異并不大, 主要集中在0.15m/s和0.2m/s之間, 并且速度值變化較小, 而另外兩個(gè)模型速度值有較大的變化.

如圖8所示, 前導(dǎo)流板角度為30o的模型2流道中A、B、C、D四點(diǎn)湍動(dòng)強(qiáng)度與模型1較為接近, 但是比模型3大很多. 綜合考慮水流在模型流道中A、B、C、D四點(diǎn)處的速度值和湍動(dòng)強(qiáng)度, 模型2流道中這幾個(gè)點(diǎn)的水流運(yùn)動(dòng)程度都較劇烈, 泥沙淤積較少, 而模型1和模型3只是個(gè)別點(diǎn)處水流運(yùn)動(dòng)程度較劇烈, 由此可知, 前擋流板角度為30o時(shí)大部分泥沙可以達(dá)到?jīng)_淤平衡.

3 結(jié)論

本文為了對(duì)某發(fā)電廠取水泵房進(jìn)水間導(dǎo)流板傾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 分別構(gòu)建了前導(dǎo)流板角度為25o, 30o和35o的三個(gè)流道模型, 采用Navier-Stokes方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和SIMPLEC算法對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算. 在對(duì)模型流道進(jìn)行了流態(tài)比較和流速、湍動(dòng)強(qiáng)度取點(diǎn)比較之后, 分析得出以下結(jié)果:

(1)水流取水泵房進(jìn)水間流道進(jìn)口處速度較慢, 在前導(dǎo)流板處速度迅速增大, 形成湍流, 減少泥沙沉積. 在后導(dǎo)流板處也有類似的效果.

(2)前導(dǎo)流板角度為30o的進(jìn)水間流道底部附近流速比其他模型進(jìn)水間流道底部附近有更好的分布, 不僅速度值較大, 而且范圍廣, 與此同時(shí), 水流湍動(dòng)強(qiáng)度也較高.

(3)計(jì)算成果表明前導(dǎo)流板角度為30o后導(dǎo)流板角度為35o為最佳組合.

(4)通過本文中對(duì)幾個(gè)模型的計(jì)算得到了較符合實(shí)際的結(jié)果, 其與物理模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較為接近. 由此表明,數(shù)值模擬方法不僅能夠代替昂貴的物理實(shí)驗(yàn), 而且可以得到較為可靠的數(shù)據(jù).

[1] 王蘭香. 同位網(wǎng)格SIMPLE 算法在水沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2011.

[2] 楊洪忠, 賴喜德, 張仁福. 水電站改造中的新技術(shù)[J]. 四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004.

[3] 張利, 張?chǎng)? 具有水室式調(diào)壓室的引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算及小波動(dòng)穩(wěn)定性分析[J]. 西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版, 2012, 38(5): 826-830.

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[6] 陳建, 李義天, 鄧金運(yùn), 等. 水沙條件變化對(duì)三峽水庫泥沙淤積的影響[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2008.

The numerical simulation study on the optimum design about water channel guiding angle of Pump House of Baihe Power Plant

LI Jia-hai, GUI Lin, LIU Peng
(School of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.).

This paper, based on the Navier-Stokes equations and the standard k- ε turbulence model, uses unstructured gridand SIMPLEC algorithm to optimize and calculate the water intake pump house water channels of second phase project of Baihe power plant, compares the calculation of the flow regime when the former guiding angle is changed, explores a better guiding angle and enhances the desilting effect of mud pump. The calculation results show that when the former guiding angle of30oand the hind guiding angle of 35ohave better flow regime, velocity near the flow channel floor is larger, and the entire flow is relatively strong turbulent flow in the water channel, most of sediment erosion and deposition can reach a balance.

numerical simulation; water intake house; guiding angle;model

TV214

: A: 1003-4271(2014)03-0415-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.17

2013-12-19

李家海(1986-), 男, 四川古藺人, 碩士研究生, 研究方向: 水電站水力學(xué)及動(dòng)力系統(tǒng), E-mail: 331701726@qq.com.通訊作者：桂林(1963-), 男, 副教授, 研究方向: 水電站水力學(xué)及動(dòng)力系統(tǒng).