某抽水蓄能電站泄水建筑物數(shù)值模擬研究＊

王多平，賈麗炯

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021）

抽水蓄能電站進(jìn)/出水口的水力條件比較復(fù)雜，對(duì)電站運(yùn)行的影響比一般常規(guī)電站大，同時(shí)泄放洞進(jìn)口與進(jìn)/出水口距離較近，且均處在山體凹側(cè)，二者之間存在一定的影響和干擾[1]。所以在各種工況水位條件下，為更好地模擬發(fā)電和抽水時(shí)的水流情況和泄水洞泄流時(shí)的進(jìn)口流態(tài)，對(duì)初擬的調(diào)整方案予以驗(yàn)證，并提出改善意見，最終推薦合理的布置形式，特進(jìn)行本次水工模型試驗(yàn)。

1 工程概況

某抽水蓄能電站由上下水庫、發(fā)電廠房洞群、輸水系統(tǒng)、開關(guān)站、下水庫泄水建筑等組成，輸水系統(tǒng)由上庫進(jìn)/出水口、上游事故閘門井、斜井式引水隧洞、引水岔管、高壓支管、尾水支管、尾水岔管、尾水調(diào)壓井、尾水隧洞、下游檢修閘門井、下庫進(jìn)/出水口等組成，上下水庫相對(duì)高差約456 m，輸水系統(tǒng)總長約2 233.2 m。下庫泄放洞布置在下岸水庫右岸，進(jìn)口布置在下庫進(jìn)/出水口施工圍堰內(nèi)，底板高程為172.0 m；出口布置在下岸水庫大壩下游約1 km 處的轉(zhuǎn)彎段凹岸，出口高程160.0 m；泄放洞全長約791 m，隧洞內(nèi)徑7.4 m；由進(jìn)口引水渠、事故閘門、有壓洞段、工作弧門、無壓洞段、出口消能工組成。由于泄放洞開挖進(jìn)洞點(diǎn)位于下庫進(jìn)/出水口引水明渠的回流區(qū)，為避免泄放洞運(yùn)行與電站抽水組合工況下發(fā)生危害性漩渦，采用混凝土明洞方式將泄放洞進(jìn)口向下水庫內(nèi)延伸，進(jìn)口包括防渦梁段、收縮段和方洞段[2]，如圖1所示。

2 水工模型數(shù)值模擬

2.1 建模及網(wǎng)格劃分要求

使用Gambit 軟件建立模型，仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中由于關(guān)注水流流態(tài)，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)靠近表面層處的網(wǎng)格要密些，靠近遠(yuǎn)處水流的地方網(wǎng)格可以疏松些。這樣處理的好處是不僅不影響邊界處的流場(chǎng)分析效果，而且可以減少計(jì)算網(wǎng)格，減少內(nèi)存占用量。

網(wǎng)格劃分是仿真實(shí)驗(yàn)中最基本也是最重要的一步，不僅影響以后仿真計(jì)算的精度，而且對(duì)收斂性也有很大的影響，如果網(wǎng)格質(zhì)量不好可能會(huì)使仿真得不到有效的收斂解。為提高收斂性，本水工模型數(shù)值模擬全部使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，詳細(xì)模型網(wǎng)格如圖2所示。

2.2 定義模型邊界條件

使用Gambit 建模前，定義2 個(gè)圓管為流速進(jìn)口，頂蓋為壓力出口，下庫出水管為自由出流。其余壁面為wall 邊界，處理時(shí)會(huì)將它默認(rèn)為絕熱無滑移壁面邊界條件，并利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行求解。

2.3 選擇求解器及模型

本次設(shè)計(jì)的是水氣二相流，流速較小，馬赫數(shù)速度較慢，故而選用基于壓力進(jìn)行求解。Fluent 基于壓力的求解器主要用于解決低于0.3 馬赫數(shù)的不可壓縮流動(dòng)問題，由于Fluent 軟件在基于壓力求解器中引入了理想氣體狀態(tài)方程，故而也能夠解決一些涉及密度變化的流動(dòng)問題。壓力求解器完全符合本次研究要求，計(jì)算模型選擇多相流模型以及湍流模型。

多相流模型選用VOF（Volume of Fluid）模型，該模型非常適合解決需要捕捉相的界面的問題，該模型是在原有的N-S 方程組的基礎(chǔ)上添加了第二相流體的體積分?jǐn)?shù)α，即通過判斷α與0 與1 之間的大小來判定第二相流體的容積。當(dāng)期值為0 時(shí)，表示此區(qū)域內(nèi)并無第二相流體；當(dāng)期值為1 時(shí)，表示此區(qū)域內(nèi)全是第二相流體，否則則是2 種流體的混合物。所得修正后的N-S 方程組如下。

連續(xù)方程為：

動(dòng)量方程為：

能量方程為：

湍流模型則采用k-e 標(biāo)準(zhǔn)壁面模型，k-e 模型由于它在計(jì)算過程中收斂性和計(jì)算精度都比較符合工程要求，故其計(jì)算量與精度都比較符合大多數(shù)情況的要求。該模型相對(duì)于其他LES（Large Eddy Simulation）模型具有計(jì)算資源占用量少、收斂迅速的特點(diǎn)，并且由于此次計(jì)算模型流速較低，湍流強(qiáng)度較小，故而k-e 模型的精度也符合要求。

2.4 設(shè)置求解控制思路

Fluent 允許計(jì)算時(shí)選擇不同的求解算法及離散格式。本次選用的是Simple 算法，即壓力耦合方程組半隱式方法進(jìn)行求解，該方法是所有格式中使用最為廣泛的數(shù)值方法，幾乎可以計(jì)算任何流速下的流動(dòng)[3]，求解思路流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模擬設(shè)置求解思路流程圖

設(shè)置完成后進(jìn)行計(jì)算，得到不同工況下水庫進(jìn)出口處的流場(chǎng)結(jié)果。由于此次研究的重點(diǎn)在于不同底板高程對(duì)水流平穩(wěn)特性的影響，而水流波動(dòng)較大的地方主要存在于出水口處與進(jìn)水口處[4-5]，故而截取了進(jìn)出口的中軸面進(jìn)行顯示。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

不同工況下水庫進(jìn)出口處的流場(chǎng)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 不同工況下水庫進(jìn)出口處的流場(chǎng)結(jié)果對(duì)比

2.6 雙管出口段分析

雙管出口段共切分了2 個(gè)斷面，分別沿2 個(gè)出口洞中軸線進(jìn)行切分，然后對(duì)切分出的面，再次切分water of volume fraction 為0.99～1 的區(qū)域。由表1 序號(hào)2 行可看出，2 個(gè)工況下，下庫進(jìn)水口部分的水面高程基本相等，而在雙管出口附近水位明顯有差距。從176 m 工況至172 m 工況，靠近水流方向的右側(cè)水位依次升高，說明前池底程高為172 m 時(shí)，水流紊動(dòng)較大，雙管出口流動(dòng)不暢，導(dǎo)致右側(cè)雍水水位較高。不難看出，較長圓管入口處流動(dòng)更加均勻，這是由于圓管長度較長，且流速較快，而圓管出口處面積相同，故而根據(jù)質(zhì)量守恒，較長圓管出口處流速較大，流線更均勻順暢。由于此處更靠近出口處，該出口液體經(jīng)過水庫之后更容易進(jìn)入出口管道。

對(duì)比表1 中序號(hào)3 行和4 行的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，Vof等于0.99 的水面在貼近雙管出口右側(cè)雍水位置依次升高。2 個(gè)工況的“主流”被第一個(gè)挑坎挑起，角度約為45°，調(diào)流后進(jìn)入前池，主流在水流表面擴(kuò)散。但172 m工況擴(kuò)散效應(yīng)更加明顯，說明前池底部“水墊層”消能作用在3 個(gè)工況中最好。從主流的流動(dòng)情況可以看出，短圓管出口處的主流型面基本相似，主流上下2處回流區(qū)的大小及發(fā)展?fàn)顩r在進(jìn)入前池之前基本無變化，故而可以判斷造成不同工況下水面波動(dòng)差異的主要原因是該出口的流動(dòng)情況。從表1 中序號(hào)4 行也不難看出，經(jīng)過第一個(gè)挑坎后，主流下側(cè)的回流區(qū)不太明顯，沒有形成較明顯的速度梯度，說們此處挑坎的作用僅為提前改變主流的流動(dòng)方向。

對(duì)比表1 中序號(hào)5 行的數(shù)據(jù)也不難發(fā)現(xiàn)，主流下側(cè)的流動(dòng)更接近于有速度邊界層的層流運(yùn)動(dòng)。在水面表層，176 m 工況下的水流流速比172 m 工況下高得多?？紤]到水的不可壓縮性，造成這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)榇颂幩鞯膶?shí)際流通面積減小及此處的流動(dòng)損失隨著池底程高的減小而增大。從流動(dòng)結(jié)構(gòu)上看，池底程高由176 m 降低到172 m 的過程中，流動(dòng)結(jié)構(gòu)由突縮結(jié)構(gòu)變成了突擴(kuò)結(jié)構(gòu)。而流線圖中并無明顯渦結(jié)構(gòu)，故此認(rèn)為造成176 m 工況下水流流速較大的原因是水流的實(shí)際流通面積較小。

觀察表1 中序號(hào)6 行、7 行可知，主流經(jīng)過挑坎之后不僅主流的方向被調(diào)整，且主流上下的回流區(qū)也較為明顯，并且主流的速度梯度較大。以176 m 程高為例，主流速度快速降低，直至與上下回流區(qū)速度一致。這說明此處的流動(dòng)損失較大，上下渦流產(chǎn)生的損失也主要由此處引起。故而推斷出，不同程高表面的波動(dòng)是由此處產(chǎn)生的不同發(fā)展?fàn)顟B(tài)的渦流導(dǎo)致的。

從速度云圖上看，176 m 程高主流上側(cè)低速區(qū)雖然連成一片，但僅有輕微的低速區(qū)分離現(xiàn)象；172 m 程高主流上側(cè)的低速區(qū)則基本無分離現(xiàn)象。從表1 中序號(hào)8行亦可以看出這一趨勢(shì)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是主流在不同程高條件下，具有不同的速度梯度。

可以看出對(duì)于這一構(gòu)型，下側(cè)低速區(qū)共存在2 處成型點(diǎn)，其一是挑坎，其二是進(jìn)入前池處176 m 程高與172 m 程高的2 處低速區(qū)基本相連。導(dǎo)致下側(cè)低速區(qū)對(duì)主流的影響最小，進(jìn)而導(dǎo)致主流對(duì)上側(cè)低速區(qū)的影響最小。此外，造成172 m 程高水面波動(dòng)較為平緩的另一個(gè)原因是該處水流進(jìn)入前池前符合突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)規(guī)律，這就使得由于該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的低速區(qū)主要存在于突擴(kuò)結(jié)構(gòu)之后且對(duì)前部流動(dòng)影響較小。另外，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的存在造成局部出現(xiàn)卷吸效果，使得主流更易流入前池，進(jìn)而減少了此處流動(dòng)受阻導(dǎo)致的回流效應(yīng)，進(jìn)一步減輕了對(duì)主流上側(cè)低速區(qū)的影響，使172 m 程高這一結(jié)構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)水面平穩(wěn)。

綜上所述，確定底板程高時(shí)，應(yīng)盡量使底板為突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，而且流速較大的入口下游區(qū)域的設(shè)計(jì)尤為重要[6]。

2.7 工況分析及結(jié)構(gòu)選擇

綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，從水流流出下庫出水口到進(jìn)入明渠這段區(qū)域內(nèi)，采用挑坎結(jié)構(gòu)并配合突擴(kuò)結(jié)構(gòu)能夠明顯降低水流的流動(dòng)速度，這是由于突擴(kuò)結(jié)構(gòu)使得挑坎后主流下側(cè)的低速區(qū)更加均勻，并且突擴(kuò)結(jié)構(gòu)將該結(jié)構(gòu)后面的低速區(qū)與主流下側(cè)的低速區(qū)基本分離開來，起到了解耦合的作用，導(dǎo)致172 m 工況下水流在流出下庫出水口到進(jìn)入明渠這段區(qū)域內(nèi)時(shí)流動(dòng)最為平穩(wěn)。

當(dāng)2 個(gè)出水口初始入口面積不同時(shí)，出水口出口處流動(dòng)情況主要取決于入口面積較大的出水口處的主流情況。而在水流進(jìn)入下庫進(jìn)水口處時(shí)，主流流速越低，越不易在拐角處產(chǎn)生漩渦結(jié)構(gòu)，故而水流在下庫出水口到進(jìn)入明渠這段區(qū)域內(nèi)流動(dòng)越平穩(wěn)，在流入明渠后，平均速度越低，越不易在拐角處產(chǎn)生漩渦結(jié)構(gòu)，更能保證水流在進(jìn)入下庫進(jìn)水口之前流動(dòng)的平穩(wěn)性。且在水流進(jìn)入下庫進(jìn)水口前，適當(dāng)使用突縮結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低水流的速度。

為得到更好的水流流態(tài)，方便水流較為平順地進(jìn)入下庫進(jìn)水口，采用底板高程為172 m 較合適。然而從水流流出下庫出水口到進(jìn)入明渠這段區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)狀況可以看出，172 m 高程還不能完全使水流挑坎后的低速區(qū)與轉(zhuǎn)折處（即172 m 工況突擴(kuò)結(jié)構(gòu)處）的低速區(qū)完全分離，故而此處結(jié)構(gòu)還有優(yōu)化的空間。另外考慮到下庫進(jìn)水口角度、布設(shè)方式，下庫進(jìn)水口布設(shè)較合理[7]。

3 結(jié)束語

研究表明，采用挑坎結(jié)構(gòu)，并在進(jìn)入明渠前使用突擴(kuò)結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上將2 處產(chǎn)生的低速區(qū)隔離開，并起到降低水面波動(dòng)、減緩進(jìn)入明渠時(shí)速度的作用。在水流進(jìn)入進(jìn)水口前，通過使用突縮結(jié)構(gòu)構(gòu)型能夠進(jìn)一步降低水流進(jìn)入進(jìn)水口時(shí)的速度，使水流流動(dòng)更加均勻緩慢。由此可得，明渠底板程高為172 m 時(shí)，能夠同時(shí)滿足兩點(diǎn)，水面波動(dòng)情況以及進(jìn)水口前流動(dòng)情況都非常好，可滿足實(shí)際需求。在今后的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，也可以通過其他措施調(diào)整突擴(kuò)結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)一步改善水庫流動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。