寒區(qū)引水渠道抽水融冰過程的數(shù)值模擬分析

熊慧，吳素杰，胡璇，李望芝，黃義博

（1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832000；2豐都縣土地儲(chǔ)備整治中心，重慶 408200）

寒區(qū)引水渠道抽水融冰過程的數(shù)值模擬分析

熊慧1，吳素杰1，胡璇2，李望芝1，黃義博1

（1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832000；2豐都縣土地儲(chǔ)備整治中心，重慶 408200）

抽水融冰可以有效解決寒區(qū)引水渠道冬季運(yùn)行冰害問題，為了認(rèn)識(shí)不同邊界條件下抽水融冰過程中水溫的變化規(guī)律，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和管理等提供技術(shù)依據(jù)，本文以瑪納斯河流域紅山嘴電站的引水渠道為研究對(duì)象，采用FLUENT軟件建立了引水渠道和抽水融冰井的數(shù)學(xué)模型，并以此為模型工具對(duì)不同研究工況下引水渠沿程水溫進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證，結(jié)果顯示：混合水溫和井水流量、井水水溫、渠道原始水溫均呈正相關(guān)關(guān)系，渠道原始流量和混合水溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。根據(jù)上述模擬結(jié)果，在實(shí)際工程中采取增加井水流量可更容易、更有效地解決渠道冰害問題。

引水渠道；抽水融冰；水溫；數(shù)值模擬；渠道冰害

紅山嘴電站地處新疆北部，冬季長且氣候嚴(yán)寒，長距離與空氣接觸的引水渠道經(jīng)常受到冰害而出現(xiàn)冰塞、凍脹、冰蓋等現(xiàn)象，情況嚴(yán)重還會(huì)使渠道徹底斷流而使水電站徹底陷入癱瘓。經(jīng)過長期的摸索和研究，紅山嘴電站利用地下水注入引水渠道取得了良好的除冰效果。

我國最早應(yīng)用抽水融冰技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)寒區(qū)水電站冬季運(yùn)行發(fā)電的是青海省香加水電站；劉新鵬等以紅山嘴電站為對(duì)象，探究了其抽水融冰運(yùn)行的原理以及存在關(guān)鍵問題[1]；黃酒林、趙夢(mèng)蕾等以紅山嘴電站為對(duì)象，通過原型觀測和模型試驗(yàn)介紹分析了抽水融冰基本原理及運(yùn)行效果[2-3]。

白乙拉等以紅旗泡水庫為對(duì)象，對(duì)其冰蓋厚度的增長變化進(jìn)行了模擬研究[4]；王軍等不僅模擬研究了冰塞堆積過程，還對(duì)直道和彎道水流速度場變化進(jìn)行了模擬，并對(duì)有槽段水內(nèi)冰花的上浮率進(jìn)行了仿真計(jì)算[5-7]；宋小艷等通過模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究分析引水渠潛冰的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8]。另外的研究主要集中在利用數(shù)學(xué)模型，對(duì)河冰進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9]；Shen等[10-11]提出了RICEN 模型對(duì)冰塞體的潰決過程進(jìn)行了模擬；Liu等[12]對(duì)圣勞倫斯河水內(nèi)冰的形成過程進(jìn)行了模擬；Chen等[13]分別對(duì)浮冰以及懸浮水內(nèi)冰的水溫進(jìn)行了模擬研究。

綜合上述研究可知，目前國內(nèi)外對(duì)抽水融冰的研究較少，對(duì)引水渠抽水融冰水溫變化過程的數(shù)值模擬分析更少，且相關(guān)研究主要集中在對(duì)實(shí)際工程抽水融冰技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行情況及效益方面。因此本文借助FLUENT軟件，以紅山嘴電廠引水渠道和抽水融冰井為對(duì)象建立模型，對(duì)紅山嘴電站應(yīng)用抽水融冰水溫變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)不同工況下的融冰效果進(jìn)行分析，從而為正在運(yùn)行的寒區(qū)電站抽取地下水或溫泉水等融冰方法的管理提供技術(shù)支持，也可以為新建電站引水渠道的抽水融冰方法的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模型的建立及邊界條件

1.1 模擬模型

針對(duì)新疆瑪納斯河流域紅山嘴電站引水渠道，在FLUENT中的GAMBIT軟件建立引水渠道的實(shí)際2D模型。模型引水渠道長為850 m，寬為5.8 m（渠道水面平均寬度為10.6 m，渠底寬度為1 m，取渠道平均寬度為5.8 m），如圖1所示。模型屬于比較規(guī)則模型，故采用Quad網(wǎng)格進(jìn)行劃分，將模型劃分成四邊形的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，劃分后網(wǎng)格單元數(shù)量為396萬左右。模型中邊界條件均按照實(shí)際工程情況設(shè)立，左側(cè)為渠道進(jìn)水口，井水入口設(shè)置在渠水入口下游10 m處，井水與渠水混合后將全部由出口流出。

圖1 引水渠道模型局部圖Fig.1 The diagram of diversion channel model

1.2 邊界條件

由于本文主要研究引水渠道沿程水溫變化，而其混合過程中氣溫、地?zé)?、陽光輻射、地下水滲入等次要因素對(duì)其影響不大，所以僅考慮井水與渠水混合后溫度的變化。本文模擬流動(dòng)為定常流流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型；渠道引水與井水混合過程中發(fā)生傳熱變化，故能量模型采用FLUENT中融化/凝固模型。

模型中均將渠水入口、井水入口設(shè)置為速度進(jìn)口；由于本文模擬渠道縱坡比較小，其水面波動(dòng)微小，因此模型以“剛蓋”假定模擬渠道水面；渠道混合水出口設(shè)為無壓自由流出邊界；其它邊界默認(rèn)設(shè)置為WALL，即為絕熱邊壁。其中，渠道原始流量和各井井水流量均采用原型調(diào)研和原型觀測得到的實(shí)際運(yùn)行邊界條件，如表1所示。

表1 實(shí)測邊界條件Tab.1 Measured boundary conditions

2 結(jié)果及分析

2.1模型驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)測結(jié)果（表2）可知：各井井水水溫均在10℃左右，遠(yuǎn)大于水的冰點(diǎn)0℃，完全可以確保渠道的融冰效果；隨著井水的加入渠水溫度明顯高于0℃，說明抽水融冰對(duì)渠水的增溫效果很明顯。

表2 模擬值與實(shí)測值對(duì)比Tab.2 Comparison between simulated and measured values

以表1參數(shù)為數(shù)值模擬的邊界條件，模擬井水對(duì)渠水的增溫效果，得到5#到13#井的渠道混合水溫，結(jié)果見表2。從表2可以看出：

（1）實(shí)際觀測中渠水與井水混合后的渠水溫度與模擬得出的混合渠水溫度兩者變化趨勢基本無異，其相對(duì)誤差均在允許范圍內(nèi)。

（2）渠水溫度只要保持在0℃以上便能防止渠道不結(jié)冰。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和原型實(shí)測數(shù)據(jù)均可以得出，整個(gè)引水渠平均一口井可以提高渠道水溫約為1.65℃，這從理論上驗(yàn)證了采用抽水融冰方法對(duì)渠水的增溫效果顯著。

以10#井為例，模擬渠道混合后水溫與實(shí)測渠道混合后水溫曲線（圖2）顯示：

（1）二者變化趨勢基本一致。模擬值較符合溫度變化規(guī)律，與實(shí)測值相比較為平緩，符合實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律。

（2）模擬值稍大于實(shí)測值。其主要是因?yàn)樵谠陀^測時(shí)，由于中層和下層水溫測量難度較大，同時(shí)融冰井水注入是從渠道表面注入渠道，所以原型中水溫測溫點(diǎn)主要為表層水，而模擬結(jié)果則是反映渠水和井水充分混合后水溫，所以造成模擬值稍大于實(shí)測值。

圖2 10#井模擬結(jié)果與原型觀測對(duì)比圖Fig.2 Comparison between simulation and prototype observation results for 10#well

目前國內(nèi)外未見對(duì)引水渠道抽水融冰其它模擬方法的研究結(jié)果，現(xiàn)有研究成果均是對(duì)抽水融冰的實(shí)際工程進(jìn)行的試驗(yàn)研究，如黃酒林等通過原型觀測和模型試驗(yàn)對(duì)抽水融冰運(yùn)行效果進(jìn)行了分析[2]。上述研究的邊界條件限制于當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文條件等，本文通過模擬分析，可以結(jié)合實(shí)際情況對(duì)邊界條件進(jìn)行不同工況的設(shè)定，研究成果的應(yīng)用范圍更加廣泛。同時(shí)，本文借助國際上通用的FLUENT軟件，以紅山嘴電廠引水渠道為對(duì)象建立計(jì)算模型，其邊界條件均設(shè)置為實(shí)際工程中的運(yùn)行條件，上述模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比也表明兩者基本一致，這也證明了本文模擬方法能更好地模擬實(shí)際工程運(yùn)行時(shí)抽水融冰的過程，更能保證后續(xù)不同研究工況下抽水融冰模擬結(jié)果的可靠。

2.2 抽水融冰過程模擬結(jié)果

圖3 10#井?dāng)?shù)值模擬局部溫度云圖Fig.3 Temperature contours of numerical simulation for 10#well

以10#井為例，渠水入口水溫為1.53℃，井水入口處水溫為10℃，初始速度以流量換算，其他邊界條件默認(rèn)為WALL絕熱邊界。本模型為定常模型，求解步數(shù)嘗試設(shè)置為1000步，當(dāng)計(jì)算到430步時(shí)，計(jì)算達(dá)到收斂，監(jiān)視器顯示能量方程達(dá)到平衡。根據(jù)FLUENT中Report工具查詢outlet出口處平均水溫為274.30 K（1.15℃），經(jīng)過長距離的熱能損失，其渠水溫度還保持在0℃以上，這說明井水的加入對(duì)渠道冰害防治有效。

溫度云圖能直觀的顯現(xiàn)出流場內(nèi)部的溫度分布及沿程變化，從圖3可明顯看出：在井水加入處附近溫度變化較大，但一段距離之后，混合水溫變化便趨于平緩。

2.3 不同工況下抽水融冰過程模擬分析

2.3.1 井水流量變化對(duì)抽水融冰的影響

渠道流量不變，井水流量變?yōu)樵瓉?.1倍、0.5倍、1.5倍、2倍4種邊界條件，實(shí)際中開啟不同數(shù)量的融冰井便能改變井水流量，其它條件保持不變，對(duì)抽水融冰效果進(jìn)行計(jì)算，得到渠道出口斷面混合水溫的結(jié)果見表3。

表3 不同井水流量變化下渠道的混合水溫Tab.3 Mixed water temperature of channel under different discharges of well water

從表3可以看出：在只改變各井井水流量的工況下，井水流量與混合水溫呈正相關(guān)的關(guān)系，且增大的數(shù)值與井水的流量呈正相關(guān)的關(guān)系，表明隨著井水流量增大，融冰增溫效果也越好。當(dāng)井水流量增至原來的1.5倍和2倍時(shí)，出口混合水溫平均升高的幅度分別為44%和74%；而當(dāng)井水流量減小到原始基礎(chǔ)的的0.1倍和0.5倍時(shí)，出口混合水溫平均降低的幅度分別為36%和84%。在實(shí)際工程運(yùn)行中，升高井水水溫不易實(shí)現(xiàn)，而以增加井水注入量的方法提高渠水溫度更有效。

2.3.2 渠道流量對(duì)抽水融冰的影響

實(shí)際工程中不同時(shí)間段內(nèi)的引水渠流量都會(huì)發(fā)生變化，將渠道原始流量變?yōu)樵瓉?.1倍、0.5倍、1.5倍、2倍4種情況，模擬渠道水溫變化情況，得到出口混合水溫的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同渠道原始流量變化下渠道的混合水溫Tab.4 Mixed water temperature of channel under different origin discharges of channel water

從表4可以看出：其他相關(guān)條件不變時(shí)，混合水溫和渠道原始流量存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系，且渠道原始流量越大，輸水渠的增溫效果越差，相反渠道原始流量越小，對(duì)輸水渠的增溫效果便越好。渠道原始流量變?yōu)橐郧暗?.5倍和2倍時(shí)，出口混合水溫平均降低的幅度分別是41.3%和65.6%；而渠道原始流量變?yōu)橐郧暗?.1倍和0.5倍時(shí)，出口混合水溫平均升高的幅度分別是284%和86%；渠道原始流量變?yōu)樵瓉?倍時(shí)導(dǎo)致混合水流溫度減小的幅度，明顯小于渠道原始流量減到0.5倍導(dǎo)致水溫增大的幅度。這表明：渠道原始流量變大時(shí)渠道混合水溫下降，但渠道原始流量變化對(duì)渠水水溫的影響不明顯，下降幅度不大，此時(shí)同樣可以采取增大井水流量的方法來升高渠水水溫。

2.3.3 井水水溫對(duì)抽水融冰的影響

在不同的水電站及不同的地理環(huán)境下，井水水溫也不盡相同。在僅改變井水水溫的工況下，將井水水溫在原來溫度上降低2.5、5℃和升高2.5、5℃，分別對(duì)這4種條件下的融冰情況進(jìn)行模擬，出口混合水溫的模擬結(jié)果見表5。

表5 不同井水水溫變化下渠道的混合水溫Tab.5 Mixed water temperature of channel under different temperature of well water

從表5可知，井水水溫對(duì)渠道增溫效果影響較大。當(dāng)井水溫度上升5℃和2.5℃后，混合后水溫增加的平均幅度分別為94%和44%；井水溫度下降5℃和2.5℃后，混合后水溫減小的平均幅度分別為88%和43.75%；將井水水溫在原始水溫的基礎(chǔ)上增加5℃得到的渠道混合水溫增長的幅度和井水水溫在原始基礎(chǔ)上降低5℃渠道混合水溫下降的幅度幾近相等。雖然對(duì)于不同位置的井在不同的季節(jié)，其井水水溫也不是一樣的，但對(duì)于同一個(gè)融冰井，井水水溫與渠道增溫效果呈正相關(guān)的關(guān)系，由井水溫度增加可以推測出對(duì)渠道增溫幅度的范圍，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2.3.4 渠道水溫對(duì)抽水融冰的影響

在不同的氣溫條件下，渠道原始水溫也不相同，在嚴(yán)寒氣候條件下，渠道引水水溫可能會(huì)低至0℃，甚至開始有冰花出現(xiàn)，若不采取措施，將可能開始便發(fā)生冰情。在渠道原始流量和井水流量不變，改變渠道原始水溫：渠道原始水溫分別下降和上升0.2℃和0.4℃，模擬渠道水溫變化，結(jié)果見表6。

表6 不同渠道原始水溫變化下渠道的混合水溫Tab.6 Mixed water temperature of channel under different origin water temperature of channel

從表6可以看出：

（1）渠道原始水溫對(duì)結(jié)果影響較大，且渠道原始水溫降低會(huì)使混合后水溫明顯降低，渠道原始水溫的上升同樣會(huì)使混合后渠水溫度明顯上升，說明渠道原始水溫和混合水溫存在正相關(guān)的關(guān)系。

（2）渠道水溫下降0.2℃的混合水溫變化幅度與上升0.2℃時(shí)的變化幅度基本相同。在抽水融冰整個(gè)過程中，與渠道原始流量相比，井水的加入量很小，因此渠道原始水溫的改變對(duì)輸水渠混合水溫的結(jié)果影響很大。在實(shí)際工程中，渠道原始水溫經(jīng)常受到氣溫，雨雪天氣影響，特別在嚴(yán)寒氣溫條件下，渠道原始水溫隨著氣溫降低，渠內(nèi)冰花逐漸形成，這時(shí)便可采取加大井水流量的方法來防治渠道冰害。

3 討論

（1）利用FLUENT流體計(jì)算軟件對(duì)紅山嘴電廠引水渠道抽水融冰過程進(jìn)行了模擬，對(duì)不同工況下的融冰效果進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為寒區(qū)電站冬季運(yùn)行的冰害問題提供方法參考和技術(shù)支持?，F(xiàn)有抽水融冰研究成果中，如劉新鵬[1]等研究主要對(duì)紅山嘴電站融冰井實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了研究，得到了-20℃下，各井運(yùn)行時(shí)渠水面實(shí)測溫度為0.4-1.0℃，進(jìn)一步證實(shí)了抽水融冰的效果；黃酒林[2]等對(duì)紅山嘴電站各井運(yùn)行時(shí)的渠水面溫度進(jìn)行了連續(xù)觀測，得到了水溫的連續(xù)變化過程等。

（2）劉新鵬[1]、黃酒林等[2]關(guān)于抽水融冰研究都是結(jié)合金溝河電站和紅山嘴電站等實(shí)際工程進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)，研究的邊界條件受當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文條件等限制，本文采用的模擬研究可以結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)邊界條件進(jìn)行不同工況的設(shè)定，研究成果的應(yīng)用范圍更加廣泛，不僅可以為正在運(yùn)行的抽水融冰的管理提供技術(shù)支持，也可為新建電站引水渠道抽水融冰方法的設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。

（3）實(shí)際工程中引水渠道沿程的水溫變化受水力、熱力、氣候等很多因素影響，本文模擬時(shí)考慮了井水與渠道水混合溫度變化、大氣溫度等主要因素，這與以往黃酒林等[4]研究僅考慮水力條件的影響相比，本文研究考慮的因素更加全面，研究結(jié)果更具有可靠性。但本文模擬時(shí)忽略了混合過程中太陽輻射、蒸發(fā)熱量損耗、降雪在渠水中融化引起的熱量損耗、地下水滲入等次要因素影響，更為全面的模擬計(jì)算需要今后進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本文以瑪納斯河流域紅山嘴電站引水渠道為例建立模型，對(duì)實(shí)際運(yùn)行邊界條件和不同工況下引水渠道抽水融冰過程進(jìn)行了模擬分析，得到了井水與渠水混合后水溫沿程變化的規(guī)律：

（1）模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果水溫的變化趨勢基本一致，可以保證后續(xù)研究的可靠性。

（2）在僅改變井水流量的前提下，混合水溫和井水流量存在正相關(guān)的關(guān)系，即井水流量越大，渠水增溫的效果也越明顯；而在井水流量等不發(fā)生變化時(shí)，混合水溫和渠道原始流量存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即隨著渠道原始流量的加大，融冰增溫的效果越弱。

（3）渠道原始水溫條件不變時(shí)，混合水溫和井水水溫存在正相關(guān)的關(guān)系，且井水水溫升高，增溫的效果更明顯；井水水溫條件不變時(shí)，混合水溫和渠道原始水溫也存在正相關(guān)的關(guān)系，渠道原始水溫越高混合后渠水水溫也越高。

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Simulation analysis on the process of pumping well water to melt ice for diversion channel in cold area

Xiong Hui1,Wu Sujie1,Hu Xuan2,Li Wangzhi1,Huang Yibo1
(1 College of Water Conservancy and Architectural Eengineering,Shihezi University,Shihezi,Xingjiang 832000,China;2 Land Reserve Remediation Center of Fengdu County,Chongqing 408200,China)

The ice problem of diversion channel in cold area can be solved by the technology of pumping well water to melt ice.The purpose of this study is to analysis the variation law of water temperature during the process of pumping well water to melt ice under different boundary conditions,which can provide technical basis for design and management of practical engineering.Based on the actual situation of the diversion channel of Hongshanzui power station in Manas River,a diversion channel turbulence mathematical model was proposed using FLUENT,and the calculation results were compared with the measured data.Thus,the change process of water temperature for diversion channel was calculated under different research conditions.The results indicated that there were positive correlation relationships between the mixed water temperature and the discharge of well water,the temperatures of well water and channel water.However,the relationship between the mixed water temperature and the discharge of channel was negative correlation.Therefore,it is easy to solve the channel ice damage problem by increasing the discharge of well water in the actual project.

diversion channel;pumping well water to melt ice;water temperature;numerical simulation；channel ice problem

TK79

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.02.022

1007-7383(2017)02-0259-06

2016-03-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51269028）

熊慧(1979－)，女，碩士研究生，從事水文學(xué)和水資源的研究，e-mail：18890041@qq.com。