抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)出水口體型優(yōu)化的數(shù)值模擬

熊保鋒

摘 要：為了對抽水蓄能電站進(jìn)出水口體型進(jìn)行優(yōu)化，該文應(yīng)用三維水力學(xué)數(shù)值模擬方法，對某抽水蓄能電站進(jìn)出水口在不同工況下的流速分布、流量分配等水流特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)和各流道流量分配系數(shù)不滿足要求。針對抽水蓄能電站水位變化幅度大，在發(fā)電和抽水工況下水流方向相反的特點(diǎn)，對原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行了優(yōu)化，使各項(xiàng)水力參數(shù)達(dá)到比較理想的效果，成功地解決了抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)出水口進(jìn)出流時(shí)流態(tài)分布不均勻的難題。

關(guān)鍵詞：抽蓄 側(cè)式進(jìn)出水口 體型優(yōu)化 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV131 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（b）-0062-05

Abstract：To optimize pump storage plant structure， 3D numerical simulation of water flow was carried out for the design of a pump storage plant to study on flow characteristics such as the velocity and quality distribution. The results showed that nonuniform coefficient of velocity and coefficient of flow distribution did not satisfy the requirement. Because the water level in the reservoir of pumped storage plants changes within a large range and the water in the inlet-outlet flows in two directions， the primary shape is successfully optimized so as to make the hydraulic parameters better， the problems of lateral short inlet/ outlet of pumped-storage plant in which flow velocity and flow distribution is asymmetric and are all resolved.

Key Words：Pumped storage plants； Lateral inlet/outlet； Structure optimization； 3D numerical modeling

抽水蓄能電站因調(diào)峰運(yùn)行的特點(diǎn)，上、下水庫都需要一定的調(diào)峰庫容，一般布置成有壓進(jìn)出水口。抽蓄電站進(jìn)出水口既要適應(yīng)水流雙向流動(dòng)，又要適應(yīng)水庫水位驟降變化，與常規(guī)水電站進(jìn)水口相比，它的構(gòu)造和設(shè)計(jì)有如下主要特點(diǎn)：（1）由于水流雙向運(yùn)動(dòng)，因此體型輪廓設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格。進(jìn)水時(shí)要逐漸收縮，出水時(shí)應(yīng)逐漸擴(kuò)散，全斷面上流速盡量均勻，不發(fā)生回流、脫流、吸氣旋渦。（2）由于發(fā)電和抽水時(shí)均要過水，因此水頭損失盡可能小[1-8]。

1 工程概況

某抽蓄輸水系統(tǒng)主要建筑物包括上庫進(jìn)出水口、上庫事故閘門井、引水洞及鋼岔管、尾水支管、尾水岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、下庫進(jìn)出水口等。引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)均采用兩洞四機(jī)布置，共分兩個(gè)水力單元。上、下庫進(jìn)出水口之間輸水系統(tǒng)總長約2.2 km，其中引水系統(tǒng)長約1 300 m，尾水系統(tǒng)長約900 m。下水庫校核洪水位231.04 m，設(shè)計(jì)洪水位230.87 m，正常蓄水位225.00 m，死水位203.00 m。下庫進(jìn)出水口原設(shè)計(jì)平剖面結(jié)構(gòu)布置見圖1、圖2，原設(shè)計(jì)體型分流墩孔口比為0.22∶0.28，上游隧洞底坡9.04%，流道擴(kuò)散段底平，上部擴(kuò)散角4.879°。

下庫進(jìn)出水口典型計(jì)算工況見表1，發(fā)電工況為下庫進(jìn)出水口出流，抽水工況為下庫進(jìn)出水口進(jìn)流。尾水隧洞為兩洞四機(jī)布置。

為保證給各流道配水均勻，并防止攔污柵振動(dòng)，抽蓄進(jìn)出水口體型設(shè)計(jì)需滿足如下兩條要求。

（1）流速不均勻系數(shù)：進(jìn)出口水口各流道攔污柵斷面的流速分布不均勻系數(shù)為斷面最大流速與平均流速的比值，表征斷面流速分布的均勻程度。為防止攔污柵振動(dòng)，通常要求攔污柵門槽處流速分布能夠滿足流速分布不均勻系數(shù)不超過2.0[9]。

（2）孔口流量分配系數(shù)：進(jìn)出水口各流道分流系數(shù)為某一流道的過流量與平均分流流量之間的比值，分流系數(shù)可表征水流在各孔流道之間分配均勻程度。一般要求各孔流道的過流量均布均勻，分流系數(shù)處在0.9～1.1之間[10]。

2 數(shù)學(xué)模型建立

流經(jīng)下庫進(jìn)出水口的水流為紊流，此研究采用紊流數(shù)學(xué)模型[11]，連續(xù)方程、動(dòng)量方程和、方程可分別表示如下：

下庫單體進(jìn)出水口數(shù)值計(jì)算時(shí)水庫模擬范圍120 m×120 m，上游隧洞模擬長度120 m，分流墩及防渦梁部位建模見圖3。發(fā)電時(shí)順?biāo)鞣较驈淖蟮接覍⑾聨爝M(jìn)出水口4個(gè)流道依次編號(hào)為1#～4#流道。上游隧洞斷面由穩(wěn)定狀態(tài)下的流量確定進(jìn)出流速度，水庫斷面給定相應(yīng)庫水位。

所有流體計(jì)算區(qū)域均采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度0.1～1.5 m，邊壁設(shè)置為無滑移固體壁面條件，對靠近壁面的第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)采用考慮壁面粗糙度影響的壁函數(shù)法處理。流道部分網(wǎng)格劃分見圖4。由于攔污柵結(jié)構(gòu)和主體部分幾何尺寸相差較大，網(wǎng)格劃分困難，該計(jì)算模型未考慮攔污柵。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 原設(shè)計(jì)體型的數(shù)值分析

通過對原設(shè)計(jì)體型發(fā)電、抽水工況進(jìn)行數(shù)值模擬，有如下結(jié)果。

（1）流速不均勻系數(shù)：抽水工況（進(jìn)流）時(shí)流速不均勻系數(shù)介于1.06～1.20，滿足要求；發(fā)電工況（出流）時(shí)流速不均勻系數(shù)介于1.91～2.39，中間兩個(gè)流道（2#、3#流道）的流速不均勻系數(shù)較兩側(cè)流道（1#、4#流道）大，中間流道的流速不均勻系數(shù)大于2.0，不滿足要求。

（2）孔口流量分配系數(shù)：除死水位抽水工況（進(jìn)流）時(shí)的各孔流量分配系數(shù)不在（0.9～1.1）之間，其余工況均在（0.9～1.1）之間。

以正常蓄水位為例，攔污柵斷面流速分布云圖見圖5，由圖5可見，攔污柵斷面流速均勻性較差。

3.2 優(yōu)化體型的數(shù)值分析

經(jīng)過對比大量體型的計(jì)算分析得出，進(jìn)出水口各流道的流量分配系數(shù)及攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)與流道分流墩處的孔口比、上游隧洞底坡、擴(kuò)散段體型關(guān)系密切。優(yōu)化體型在原設(shè)計(jì)體型基礎(chǔ)上做了如下修改，調(diào)整后的平剖面布置圖見圖6、圖7。

（1）分流墩孔口比由0.22∶0.28調(diào)整為0.24∶0.26，即孔口寬度由1.38 m、1.62 m調(diào)整為1.44 m、1.56 m。

（2）將擴(kuò)散段體型調(diào)整為四向擴(kuò)散，豎直方向上下擴(kuò)散角4.908°，水平方向擴(kuò)散角度維持原設(shè)計(jì)不變。

（3）將上游隧洞由底坡由9.04%調(diào)整為平坡。

3.2.1 流速不均勻系數(shù)

優(yōu)化體型的攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)見表2，發(fā)電工況下2#、3#流道攔污柵中心線流速不均勻系數(shù)最大為1.98。抽水工況下攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)最大為1.12。該計(jì)算是在未考慮攔污柵的前提下進(jìn)行的，而參考類似工程經(jīng)驗(yàn)考慮攔污柵對水流的均化作用，攔污柵的存在一般能使攔污柵斷面處的流速不均勻系數(shù)降低0.2左右，故該體型攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)滿足要求。

各工況下攔污柵斷面中心線流速分布曲線圖見圖8。

3.2.2 孔口流量分配系數(shù)

針對優(yōu)化體型，取流道分流墩變截面處的流量，并計(jì)算得出各流道的分流比及分流系數(shù)，見表3。發(fā)電及抽水工況下各流道的分流較均勻，分流系數(shù)均在0.9～1.1區(qū)間，滿足要求。

注：流量斷面位置說明：取1#孔（邊孔）、2#孔（中孔）、3#孔（中孔）、4#孔（邊孔）流道分流墩變截面處。

3.2.3 流場分析

發(fā)電和抽水工況下的攔污柵斷面流速分布云圖見圖9。發(fā)電工況下攔污柵斷面水流分布均勻性較原設(shè)計(jì)體型得到明顯改善，但中間和兩側(cè)流道的流速分布差別依然較明顯。抽水工況下中間兩個(gè)流道流速分布均勻，兩側(cè)流道的流速分布均勻性較中間流道差，發(fā)電和抽水工況下攔污柵斷面沒有反向流速區(qū)。

抽水和發(fā)電工況均沒未發(fā)現(xiàn)有害回流及環(huán)流，水面波動(dòng)小，進(jìn)出水口附近未產(chǎn)生有害旋渦。抽水工況下的淹沒深度滿足要求，消渦梁的設(shè)置能夠明顯地削弱回流等不良流態(tài)，未見表面旋渦，有利于進(jìn)出水口水動(dòng)力條件的改善。

各工況下，所取斷面無負(fù)壓發(fā)生，沿程壓力自進(jìn)出水口向上游逐漸增加，變化過程平順，無突變現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過上述側(cè)式進(jìn)出水口的三維數(shù)值模擬，成功地對原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的體型各流道流量均勻，攔污柵斷面流量分布均勻，解決了抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)出水口進(jìn)出流時(shí)流態(tài)分布不均勻的難題，提供了可供借鑒的側(cè)式進(jìn)出水口的設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

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