尾導(dǎo)結(jié)合型水電站通氣孔作用的CFD分析與優(yōu)化

張宗溥，馬連軍

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

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尾導(dǎo)結(jié)合型水電站通氣孔作用的CFD分析與優(yōu)化

張宗溥，馬連軍

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

為減少對(duì)山體圍巖開挖，西南地區(qū)建設(shè)的水電站常將導(dǎo)流洞改建成尾水洞，因而在較低的下游尾水位時(shí)，水力過渡過程中導(dǎo)流洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象。本文采用CFD軟件模擬某尾導(dǎo)結(jié)合型水電站的尾水系統(tǒng)，將得到的過渡過程中調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)曲線與水力模型試驗(yàn)成果比較，具有較好的一致性，利用調(diào)試后的模型進(jìn)一步探究了尾水洞出口帶庫(kù)區(qū)和不帶庫(kù)區(qū)對(duì)電站恒定流和非恒定流數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響和通氣孔作用的分析及位置優(yōu)化。

明滿流 CFD 通氣孔 庫(kù)區(qū) 過渡過程

1 引言

我國(guó)水利事業(yè)經(jīng)過幾十年如火如荼的發(fā)展后，現(xiàn)階段已步入攻堅(jiān)區(qū)，未開發(fā)的水能資源主要集中在西南山區(qū)。目前在建或已建的西南地區(qū)數(shù)十座大型水電站均采用首部式地下廠房方案[1]，如二灘、溪洛渡等水電站。此類電站具有較長(zhǎng)的尾水隧洞，工程地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，不宜大規(guī)模地開挖山體，通常為減少對(duì)山體圍巖破壞，常將前期的導(dǎo)流洞改建成發(fā)電尾水洞。其結(jié)果為，尾水洞出口底部高程抬高，在較低的下游尾水位時(shí)，水力過渡過程中導(dǎo)流洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象。為減緩明滿流的危害，工程中常在導(dǎo)流洞洞頂設(shè)置通氣孔。本文利用CFD軟件對(duì)某尾導(dǎo)結(jié)合型水電站的尾水系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的過渡過程中調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)曲線與水力模型試驗(yàn)成果對(duì)比，確定CFD軟件的計(jì)算精度，并對(duì)不同位置、不同直徑通氣孔的作用做進(jìn)一步分析。

2 計(jì)算模型

圖1為三維數(shù)值模擬的計(jì)算模型，計(jì)算區(qū)域從機(jī)組的尾水管末端至下游庫(kù)區(qū)。計(jì)算邊界條件為：兩進(jìn)口為流速進(jìn)口，恒定工況下流速大小為斷面的平均流速，非恒定工況下流速?gòu)某跏剂魉?2s內(nèi)線性減小至0；庫(kù)區(qū)的補(bǔ)、排水口設(shè)定為壓力進(jìn)口和出口，利用open channel模型設(shè)置下游尾水位；尾水調(diào)壓室、閘門井、通氣孔和庫(kù)區(qū)頂部設(shè)定為大氣壓。數(shù)學(xué)模型為：采用兩方程湍流模型和VOF多相流模型，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，其中壓力-速度耦合采用PISO算法[2]。

圖1 三維數(shù)值模擬的計(jì)算模型

3 邊界條件設(shè)定

3.1 出口邊界條件選擇

數(shù)學(xué)模型中庫(kù)區(qū)網(wǎng)格數(shù)量巨大，極大地影響著計(jì)算的速度，且?guī)靺^(qū)中水體龐大，水位一般波動(dòng)較小，因而庫(kù)區(qū)是否可由一個(gè)固定的壓力邊界條件所替代是一個(gè)值得探究的問題。本文以下游尾水位為425.70m，機(jī)組引用流量為547.2m3/s，同一水力單元兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷的典型工況為例，對(duì)比恒定運(yùn)行工況下尾水洞出口的壓力分布、速度分布及流線分布和非恒定工況下調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，說明庫(kù)區(qū)對(duì)電站尾水系統(tǒng)數(shù)值模擬精度的影響。出口1是指從尾水管末端到尾水洞末端，不連接庫(kù)區(qū)；出口2是指尾水洞末端連接庫(kù)區(qū)，如圖1。計(jì)算工況1：選取下游尾水位為425.70m，機(jī)組引用流量為547.2m3/s，同一水力單元兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷的典型工況，非恒定工況下兩種出口邊界條件下尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)過程曲線見圖2，恒定工況下兩種出口邊界條件下的數(shù)值模擬結(jié)果見表1。

表1 恒定工況下尾水洞出口截面的流態(tài)

圖2 工況1機(jī)組甩負(fù)荷過程中尾水調(diào)壓室內(nèi)水位的波動(dòng)過程曲線

圖2反映出：采用邊界條件出口2的數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不論是周期還是振幅均具有較好的一致性，而采用邊界條件出口1的數(shù)值模擬結(jié)果則與模型試驗(yàn)值有較大的偏差。原因是采用邊界條件出口1時(shí)，尾水洞出口處的水位恒定不變，不能很好地反映機(jī)組甩負(fù)荷過程中尾水洞出口處水位的波動(dòng)及反向水流從庫(kù)區(qū)回補(bǔ)尾水隧洞的全過程。表1反映出：兩種出口邊界條件下尾水洞出口截面上的壓力分布和流速分布相差不大；邊界條件出口1尾水洞末端的流線呈平行分布，而邊界條件出口2尾水洞末端的流線略微束窄。總體而言：恒定工況下采用兩種出口邊界條件的數(shù)值模擬結(jié)果相差不大，但采用邊界條件出口1可節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。

3.2 數(shù)學(xué)模型選擇

工況3：選取下游尾水位為596.0m，1#、2#機(jī)組以額定流量547.8m3/s運(yùn)行，且同一水力單元兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷的典型工況，甩負(fù)荷過程中調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果見圖3，調(diào)壓室涌浪水位對(duì)比見表2。

圖3 工況3機(jī)組甩負(fù)荷過程中尾水調(diào)壓室內(nèi)水位的波動(dòng)過程曲線

表2 機(jī)組甩負(fù)荷過程中調(diào)壓室涌浪水位對(duì)比

表2給出了工況3下尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)的模型試驗(yàn)值和三種湍流模型的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比結(jié)果表明：RNGk-ε湍流模型模擬的調(diào)壓室涌浪與模型試驗(yàn)值有較好的一致性，極值相對(duì)誤差不超過5%，發(fā)生時(shí)刻誤差不超過4s，Realizablek-ε湍流模型的結(jié)果精度與RNGk-ε湍流模型相當(dāng)，不過周期從第二個(gè)波谷起略有延遲；而采用Standardk-ε湍流模型模擬的調(diào)壓室涌浪誤差較大，周期從第一個(gè)波峰起提前許多，說明Standardk-ε湍流模型不適宜模擬水流進(jìn)出調(diào)壓室的強(qiáng)紊流特性。因此可以利用RNGk-ε湍流模型對(duì)尾水系統(tǒng)中的明滿流特性做進(jìn)一步研究。

4 通氣孔位置對(duì)減緩明滿流作用的影響

工程中常采用設(shè)置通氣孔的方案來消除或減緩明滿流的危害，但通氣孔的數(shù)量和位置一般是通過水力模型試驗(yàn)獲取。本文結(jié)合通氣孔的四種設(shè)置方案，采用數(shù)值模擬來說明通氣孔的作用以及不同位置的通氣孔對(duì)減緩明滿流作用的影響。通氣孔設(shè)置方案一：只在尾導(dǎo)銜接段中部設(shè)置1號(hào)通氣孔；方案二：只在尾導(dǎo)結(jié)合點(diǎn)處設(shè)置2號(hào)通氣孔；方案三：只在2號(hào)通氣孔下游156m處設(shè)置3號(hào)通氣孔；方案四：尾水洞段同時(shí)設(shè)置2號(hào)和3號(hào)通氣孔。四種通氣孔設(shè)置方案及洞頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置見圖4，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線見圖5～圖7。

圖4 三種通氣孔設(shè)置方案及三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置

圖5 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線

圖6 2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線

圖7 3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線

從圖5～圖7中可以清晰地看出：尾水洞無通氣孔方案和方案一下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化趨勢(shì)基本一致，隨著機(jī)組甩負(fù)荷，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值開始下降，直至出現(xiàn)負(fù)壓，且兩種方案下的最大負(fù)壓值和負(fù)壓持續(xù)時(shí)間相同，隨后尾水洞出口段水流反向流動(dòng)，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值均出現(xiàn)了劇烈的波動(dòng)，無通氣孔方案下的最大正壓值比方案一大，且兩種方案下最大值的持續(xù)時(shí)間均很短，究其原因可能是1號(hào)通氣孔位于尾導(dǎo)銜接段中部，高程始終低于下游尾水位，機(jī)組甩負(fù)荷過程中，通氣孔并不進(jìn)氣，故方案一下的最大負(fù)壓值并未減小，持續(xù)時(shí)間也未縮短，且在壓力劇烈波動(dòng)的過程中，方案一由于通氣孔內(nèi)的自由液面對(duì)尾水洞內(nèi)水面波動(dòng)有一定的緩沖作用，因而方案一的最大正壓值較無通氣孔時(shí)?。环桨付c方案三下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化趨勢(shì)也基本一致，不過方案三下2號(hào)和3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)壓開始回升的時(shí)刻較方案二提前，洞頂壓力維持在大氣壓附近的持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，并且3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大正壓值也較方案二低，因此3號(hào)通氣孔的進(jìn)氣排氣效果要優(yōu)于2號(hào)通氣孔；方案四與方案二、三相比，最大負(fù)壓值及負(fù)壓持續(xù)的時(shí)間相差不大，說明通氣孔并非多多益善；方案二、三和四下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大負(fù)壓值與無通氣孔方案比較明顯減小，說明尾水洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流的過渡過程中設(shè)置通氣孔能有效抑制負(fù)壓值的急劇降低，減緩明滿流交替對(duì)尾水洞襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。

5 結(jié)論

(1)計(jì)算模型帶庫(kù)區(qū)和不帶庫(kù)區(qū)對(duì)恒定工況下尾水系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果影響不大，選用無庫(kù)區(qū)的邊界條件可節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間，而對(duì)過渡過程中尾水系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果影響較大，且含庫(kù)區(qū)的邊界條件更接近真實(shí)的流場(chǎng)；

(2)CFD軟件中RNGk-ε湍流模型可以較好地模擬過渡過程中水流進(jìn)出調(diào)壓室的強(qiáng)紊流特性，因此可利用CFD軟件對(duì)此類工程的調(diào)壓室頂板和底板高程進(jìn)行校核；

(3)尾水洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流的過渡過程中設(shè)置通氣孔能有效抑制負(fù)壓值的急劇降低，減緩明滿流交替對(duì)尾水洞襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，但通氣孔的數(shù)量也并非多多益善。

〔1〕程永光，劉曉峰，楊建東.大型尾水調(diào)壓室底部交匯型式CFD分析與優(yōu)化[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007(05)：68-74.

〔2〕楊建東，李 玲，周俊杰等.尾導(dǎo)結(jié)合的尾水系統(tǒng)水流中斷的機(jī)理分析[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯，2012(04)：394-400.

TV135∶TV132

A

2095-1809(2017)04-0004-04

張宗溥(1988-)，男，河南平頂山人，主要從事水工結(jié)構(gòu)、工程水力學(xué)方面的研究?！?/p>