水電站沉沙池水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬

洪振國(guó)，劉俊華，高 嵐

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

0 引 言

在水利水電工程中，利用沉沙池降低含沙水流的流速、使泥沙沉降的有效措施，應(yīng)用十分廣泛。沉沙池沉沙的主要原理為：含沙水流進(jìn)入沉沙池后，流速顯著降低，挾沙能力降低，泥沙沉降，水流澄清，從而改變了原有水流泥沙運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，降低泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨損[1]。因此，研究沉沙池的流場(chǎng)分布非常重要，沉沙池運(yùn)行效果的關(guān)鍵因素是沉沙池的流場(chǎng)分布。本文采用Fluent數(shù)值計(jì)算模擬沉沙池內(nèi)的水流流態(tài)和水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并采用物理模型試驗(yàn)論證Fluent數(shù)值計(jì)算模擬水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律可行性，對(duì)于其他工程有一定參考作用。

1 工程概況

綠水溏水電站位于紅河州開(kāi)遠(yuǎn)市中和營(yíng)鄉(xiāng)，是以發(fā)電為單一任務(wù)、徑流式開(kāi)發(fā)的高水頭電站。主要建筑物由取水口、沉沙池、引水渠道、壓力前池及泄水道、壓力管道、電站廠房組成[2]。水電站裝機(jī)5 500 kW，引水流量1.72 m3/s，設(shè)計(jì)水頭410 m，河道多年平均泥沙總量2.31萬(wàn)t，懸移質(zhì)沙量1.92萬(wàn)t，推移質(zhì)沙量0.39萬(wàn)t，沉沙池排除的泥沙最小危害粒徑為0.25 mm。河水泥沙資料見(jiàn)表1。

表1 河水泥沙資料

沉沙池由首部擴(kuò)散段、池身段、出水室及沖沙閘室、沖沙泄水道等部分組成[3]，沉沙池總長(zhǎng)52 m。沉沙池首部擴(kuò)散段與引水明渠相連接，長(zhǎng)12 m，渠道斷面寬度由2 m擴(kuò)散為7 m，底坡i=0.093 3，底板高程由1 346.942 m降至1 345.822 m。沉沙池池身長(zhǎng)40 m，寬7 m，底坡i=1%。出水室及沖沙閘室長(zhǎng)6.5 m，側(cè)向進(jìn)水，正向沖沙[4]。出水室底板高程346.804 m，沖砂閘室板高程1 345.3 m。由于沉沙池緊接取水口，故不設(shè)進(jìn)口工作閘門(mén)，僅在沖沙道入口設(shè)立一道1 m×1 m平板沖沙閘門(mén)。沖沙泄水道斷面尺寸1.2 m×1.5 m，長(zhǎng)17.7 m，底坡為i=1%。引至綠水溏河。

2 Fluent數(shù)值計(jì)算

本文采用Fluent數(shù)值計(jì)算模擬沉沙池的水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律[5-6]，建立二維水流的紊流模型，采用控制體積法進(jìn)行離散，對(duì)流函采用上風(fēng)差分格式，對(duì)流量方程采用有限分析五點(diǎn)格式進(jìn)行離散。網(wǎng)格劃分用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)，最后采用高斯—塞德?tīng)柕c三對(duì)角矩陣相結(jié)合的方法求解方程組。

2.1 控制方程

水流連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

紊動(dòng)能方程

(3)

紊動(dòng)能耗散率方程

(4)

式中，ui(i=1，2)為沿i方向的速度分量；xj為(j=1，2)為坐標(biāo)系j方向的坐標(biāo)；fi為沿i方向的質(zhì)量力；p為壓力；xi為(i=1，2)為坐標(biāo)系i方向的坐標(biāo)；v為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；vi為水沿i方向的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；uj(j=1，2)為沿j方向的速度分量；k為固體壁面紊動(dòng)動(dòng)能；vt為渦粘系數(shù)；σk為常數(shù)，σk=1.0；Pr為紊動(dòng)能生成率；ε為固體壁面紊動(dòng)耗散率；σε為常數(shù)，σε=1.3；Cε1為常數(shù)，Cε1=1.44；Cε2為常數(shù)，Cε2=1.92。

2.2 邊界條件

根據(jù)流量和橫截面尺寸計(jì)算沉沙池入口處的平均流速，其來(lái)流速度在垂直方向上呈對(duì)數(shù)分布。流場(chǎng)的出口近似按靜水壓力分布邊界條件，流場(chǎng)在固壁上近似按無(wú)滑移邊界條件，同時(shí)采用壁面函數(shù)法，計(jì)算固壁處的摩阻流速。流場(chǎng)表面為自由水面，速度和紊動(dòng)動(dòng)能均可視為對(duì)稱平面處理，求紊動(dòng)能耗散率。其他參數(shù)與試驗(yàn)的模型結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖1)一致。

圖1 沉沙池模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

2.3 網(wǎng)格的生成

模型進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，利用坐標(biāo)網(wǎng)格創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，在2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建直線，由邊創(chuàng)建面；然后對(duì)各邊定義網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布，在面上創(chuàng)建網(wǎng)格；在沉沙池的計(jì)算區(qū)域內(nèi)共布置320×50個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格形式為非正交結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，為了能很好地模擬進(jìn)水流態(tài)，在進(jìn)口處網(wǎng)格較密，由于沉沙池內(nèi)水流較為平緩，整個(gè)區(qū)域網(wǎng)格較為均勻。

3 物理模型試驗(yàn)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，沉沙池物理模型采用有機(jī)玻璃制作。為正確模擬出沉沙池水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模型設(shè)計(jì)上采用正態(tài)模型，進(jìn)而避免幾何變態(tài)模型造成的建筑物扭曲，保證各向水流流速分布相似。模型試驗(yàn)流量由直角三角堰測(cè)量，水位采用測(cè)針測(cè)量，流速采用電磁流速儀測(cè)量，含沙量采用自制的虹吸式采樣器采集渾水，然后用烘干法測(cè)量。物理模型比尺20∶1，流量比尺20∶1，流速比2.5，糙率比1.5，粒徑比2.5，含沙量比2.5。沉沙池池長(zhǎng)、寬度、底坡與數(shù)學(xué)模型的一致，模型沙選配主要考慮與泥沙沉降相似、泥沙起動(dòng)相似進(jìn)而確定懸移質(zhì)沙粒徑比尺和含沙量比尺，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用粉煤灰作為模型沙。

沉沙池測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格平面布置見(jiàn)圖2。坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)為0點(diǎn)，軸坐標(biāo)系橫向設(shè)為x軸 ，縱向設(shè)為y軸。沿沉沙池工作段縱向選定了C1～C5共5個(gè)測(cè)量斷面，兩個(gè)相鄰斷面間距10 m。根據(jù)各測(cè)量斷面的不同水深布置水平測(cè)線，分別在近水面、水面以下0.8 m、水面以下1.6 m、水面以下2.4 m處布置水平測(cè)線，每條測(cè)線布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距1.75 m。

圖2 模型沉沙池測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格平面布置

4 結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)沉沙池?cái)?shù)學(xué)計(jì)算和物理模型試驗(yàn)，得到縱向平均流速沿程分布，如圖3所示。

圖3 縱向平均流速沿程分布

由圖3可知，縱向平均流速沿程呈現(xiàn)較大脈動(dòng)衰減，前面流速波動(dòng)較大，后面流速波動(dòng)較小，縱向平均流速沿縱向分布越均勻，流場(chǎng)分布也越均勻，有利于泥沙在沉沙池內(nèi)的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的?？v向平均流速沿程數(shù)學(xué)計(jì)算值與物理試驗(yàn)值相差較小，因此物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了由數(shù)學(xué)模型計(jì)算模擬沉沙池縱向平均流速是可行的。

經(jīng)過(guò)沉沙池?cái)?shù)學(xué)計(jì)算和物理模型試驗(yàn)，得到C3斷面橫向平均流速分布情況如圖4所示。

圖4 橫向流速分布情況

由圖4可知，受沉沙池邊壁影響，水流的橫向流速呈正態(tài)分布，主流偏向沉沙池內(nèi)側(cè)，流速呈現(xiàn)左右側(cè)流速小，中間較大，外內(nèi)側(cè)流速差值較小，水流擴(kuò)散充分，橫向流速分布均勻，橫向流場(chǎng)分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內(nèi)的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。橫向流速沿程數(shù)學(xué)計(jì)算值與物理試驗(yàn)值相差較小，物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了由數(shù)學(xué)模型計(jì)算模擬橫向流速是可行的。

經(jīng)過(guò)沉沙池?cái)?shù)學(xué)計(jì)算和物理模型試驗(yàn)，得到縱向泥沙含量沿程分布情況如圖5所示。

圖5 縱向泥沙含量沿程的分布

綜合圖3～5可知，水流經(jīng)首部擴(kuò)散段后，隨著過(guò)流斷面沿程擴(kuò)大，流速沿程遞減，流場(chǎng)沿程遞減，水流挾沙能力降低，泥沙逐漸沉落；縱向平均流速分布越均勻，流場(chǎng)分布也越均分布，橫向流速分布越均勻，橫向流場(chǎng)分布越均勻，有利于泥沙在沉沙池內(nèi)的沉降。因此，縱向沉沙池沉沙效率增加，縱向泥沙含量減小，泥沙的水輪機(jī)磨損維修費(fèi)減少。泥沙含量沿程數(shù)學(xué)計(jì)算值與物理試驗(yàn)值相差較小，物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了由數(shù)學(xué)模型計(jì)算模擬縱向泥沙含量是可行的。

5 結(jié) 論

(1)縱向平均流速沿程呈現(xiàn)較大脈動(dòng)衰減，前面流速波動(dòng)較大，后面流速波動(dòng)較小，縱向平均流速沿縱向分布越均勻，流場(chǎng)分布也越均勻，水流的橫向流速呈現(xiàn)正態(tài)分布形態(tài)，主流偏向沉沙池內(nèi)側(cè)，流速呈現(xiàn)左右側(cè)流速小，中間較大，內(nèi)外側(cè)流速差值較小，水流得到充分?jǐn)U散，橫向流速分布均勻，橫向流場(chǎng)分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內(nèi)的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

(2)沉沙池流速沿程遞減，流場(chǎng)沿程遞減，水流挾沙能力降低，泥沙逐漸沉落?？v向平均流速分布均勻，流場(chǎng)分布均勻；橫向流速分布均勻，橫向流場(chǎng)分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內(nèi)的沉降。因此縱向沉沙池沉沙效率增加，縱向泥沙含量減小，水輪機(jī)磨損維修費(fèi)減少。泥沙含量沿程數(shù)學(xué)計(jì)算值與物理試驗(yàn)值相差較小，物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了由數(shù)學(xué)計(jì)算模擬縱向泥沙含量是可行的。

(3)本文建立二維水流的紊流模型，采用Fluent數(shù)值計(jì)算模擬沉沙池內(nèi)的水流流態(tài)和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該方法有助于提高沉沙池設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和合理性。