輸水隧洞坡角對(duì)側(cè)式進(jìn)/出水口水力特性影響研究

高學(xué)平 毛長(zhǎng)貴 孫博聞 張翰

摘要：抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)/出水口具有雙向過流的特點(diǎn)，進(jìn)/出水口自身體型參數(shù)對(duì)其水力特性具有很大的影響，但連接的輸水隧洞布置型式也同樣會(huì)影響進(jìn)/出水口水力特性，若輸水隧洞布置不恰當(dāng)，將可能導(dǎo)致進(jìn)/出水口出現(xiàn)不利的水力特性。利用RSM紊流模型，以某側(cè)式進(jìn)/出水口為研究對(duì)象，在進(jìn)/出水口體型不變的前提下，研究出流工況不同隧洞坡角對(duì)進(jìn)/出水口內(nèi)部流態(tài)、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)、水頭損失系數(shù)及流量分配等水力特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)隧洞坡角等于擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角時(shí)，進(jìn)/出水口內(nèi)部流態(tài)較好，反向流速區(qū)的沿程范圍、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)及水頭損失系數(shù)均最小。因此，當(dāng)進(jìn)/出水口擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角不大且各隧洞坡角均滿足地形、地質(zhì)條件的情況下，隧洞坡角等于擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角時(shí)，可獲得較優(yōu)的水力特性。

關(guān)鍵詞：側(cè)式進(jìn)/出水口;出流;隧洞坡角;擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角;水力特性

中圖分類號(hào)：TV131文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The side inlet/outlet of pumped storage power station has bidirectional flow characteristics.The shape parameters of the side inlet/outlet have a great influence on its hydraulic characteristics，though the layout of the connected water conveyance tunnel will also affect the hydraulic characteristics of the side inlet/outlet.If the layout of the water conveyance tunnel is not reasonable，it may lead to hydraulic characteristics adverse to the inlet/outlet.The paper investigated the influences of different tunnel slope on the hydraulic characteristics of the inlet/outlet on the condition of outflow using the turbulence model of RSM for a side inlet/outlet，given that the shape of the inlet and outlet remained the same. then The condition of outflow included the flow pattern，non-uniformity of flow velocity，the head loss coefficient and the flow distribution.The results showed that when the tunnel slope equaled the vertical diffusion angle of the diffusion section，the flow pattern in the inlet/outlet could be improved.The range and volume ratio of the reverse flow velocity area was the smallest，non-uniformity coefficient of flow velocity and the head loss coefficient were the smallest.Therefore，when the vertical diffusion angle of the inlet/outlet diffusing section was not large and each tunnel slope satisfied the topography and geological conditions，the tunnel slope was equal to the vertical diffusion angle of the diffusing section to obtain better hydraulic characteristics.

Key words：side inlet/outlet;outflow;tunnel slope;vertical diffusion angle of the diffusion section;hydraulic characteristics

抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)/出水口是連接輸水隧洞和庫(kù)區(qū)的重要水工建筑物，具有雙向過流的特點(diǎn)。出流時(shí)隧洞內(nèi)的水流經(jīng)進(jìn)/出水口擴(kuò)散流至水庫(kù);進(jìn)流時(shí)水庫(kù)內(nèi)的水流經(jīng)進(jìn)/出水口收縮流進(jìn)隧洞。若進(jìn)/出水口體型設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)增大進(jìn)/出水口的水頭損失;對(duì)于出流，在攔污柵斷面可能出現(xiàn)局部流速過大，甚至反向流速，導(dǎo)致攔污柵因流激振動(dòng)而產(chǎn)生破壞[1-3]。

為了獲得更優(yōu)的水力特性，國(guó)內(nèi)學(xué)者在側(cè)式進(jìn)/出水口體型參數(shù)對(duì)水力特性影響方面已經(jīng)做了大量的研究。蔡付林等[4]通過模型試驗(yàn)研究了三分流墩四流道的進(jìn)/出水口，指出分流墩體型布置對(duì)進(jìn)/出水口流量分配和流速分布等有明顯影響，應(yīng)布置成中間分流墩短、兩側(cè)分流墩長(zhǎng)且起始于擴(kuò)散段起始斷面。沙海飛等[5]通過數(shù)值模擬研究了二分流墩三流道的進(jìn)/出水口，指出分流墩間距比應(yīng)取34[KG-*2]∶[KG-*4]32[KG-*2]∶[KG-*4]34。高學(xué)平等[6]通過數(shù)值模擬，指出對(duì)于四通道進(jìn)/出水口，調(diào)整擴(kuò)散段分流墩中邊孔寬度比、中墩墩頭較邊墩墩頭縮進(jìn)距離、擴(kuò)散段長(zhǎng)度等能有效改善流量不均勻程度。章軍軍等[7]通過模型試驗(yàn)研究了短式進(jìn)/出水口，提出分流墩內(nèi)伸到擴(kuò)散段始端，四流道改為三流道等措施可改善流速分布、流量分配及水頭損失等水力特性。高學(xué)平等[8]通過數(shù)值模擬，指出擴(kuò)散段水平擴(kuò)散角和調(diào)整段長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)/出水口的水頭損失和孔口流態(tài)有決定的影響。王晨茜等[9]通過數(shù)值模擬，研究了擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角和水平擴(kuò)散角對(duì)流動(dòng)分離的重要程度，指出垂向擴(kuò)散角對(duì)減弱流動(dòng)分離、消除攔污柵斷面反向流速起主導(dǎo)作用。高學(xué)平等[10-12]等通過CFD模擬與優(yōu)化算法的結(jié)合建立了進(jìn)/出水口體型自動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)，以指定的水力指標(biāo)為目標(biāo)，通過體型參數(shù)的變化自動(dòng)找出最優(yōu)體型。

綜上可知，側(cè)式進(jìn)/出水口體型參數(shù)變化對(duì)其水力特性有很大的影響，但進(jìn)/出水口后連接的隧洞布置型式同樣影響進(jìn)/出水口水力特性。孫雙科等[13]通過模型試驗(yàn)指出隧洞段采用彎道布置，且彎道與擴(kuò)散段之間的過渡段長(zhǎng)度不足使攔污柵斷面垂向流速分布呈“上大下小”的趨勢(shì)，并在靠近底板處產(chǎn)生反向流速。沙海飛等[5]通過數(shù)值模擬指出平面彎道或立面彎道形成的二次環(huán)流會(huì)影響進(jìn)/出水口的流量分配。張從聯(lián)等[14]通過模型試驗(yàn)指出為消除一個(gè)立面彎道帶來的偏流問題，可在距離進(jìn)/出水口13D的位置設(shè)置兩個(gè)對(duì)稱的立面彎道，進(jìn)/出水口頂部將不會(huì)出現(xiàn)流速過大情況。因此若輸水隧洞布置不恰當(dāng)，也可能導(dǎo)致進(jìn)/出水口在出流時(shí)產(chǎn)生不利的水力特性，關(guān)于輸水隧洞的布置型式對(duì)進(jìn)/出水口水力特性的影響值得關(guān)注及研究。[HJ2mm]

抽水蓄能電站在進(jìn)行洞線布置時(shí)力求保持直線，但由于地質(zhì)、地形條件限制，隧洞路線往往布置成折線[15]。統(tǒng)計(jì)已建成的抽水蓄能電站，如十三陵、西龍池、天荒坪、廣州一期及張河灣等多個(gè)工程隧洞布置均有縱向坡度[15-16]。因此，本文利用RSM紊流模型，以某側(cè)式進(jìn)/出水口為研究對(duì)象，在保證進(jìn)/出水口體型不變的前提下，針對(duì)出流工況，研究隧洞坡角不同對(duì)進(jìn)/出水口水力特性的影響，研究成果將對(duì)側(cè)式進(jìn)/出水口的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

1.1 控制方程及求解方法

側(cè)式進(jìn)/出水口內(nèi)流動(dòng)按不可壓縮流動(dòng)處理，連續(xù)方程和動(dòng)量方程見文獻(xiàn)[17]，并采用RSM紊流模型來封閉控制方程。

本文采用商用軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算，方程求解采用有限體積法，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，壓力—速度耦合采用SIMPLE算法。

1.2 模型建立

某側(cè)式進(jìn)/出水口輸水隧洞直徑為7.2 m。3個(gè)分流墩將流道分為4孔（1-1至1-4），底板高程280.5 m，每孔過流孔口高度8.7 m、寬度6.3 m。擴(kuò)散段長(zhǎng)度為36 m，立面為單向擴(kuò)散，垂向擴(kuò)散角為2.4°，平面為雙向擴(kuò)散，水平擴(kuò)散角為34.3°，分流墩末端中邊孔寬度比為0.229∶0.271，隧洞坡角為0°。圖1為該側(cè)式進(jìn)/出水口體型，XY平面原點(diǎn)選在中間分流墩起始端（防渦梁側(cè)），Z平面原點(diǎn)選在進(jìn)/出水口底板防渦梁側(cè)。

計(jì)算區(qū)域包括隧洞、進(jìn)/出水口、庫(kù)區(qū)三部分。出流時(shí)，水體由隧洞進(jìn)入進(jìn)/出水口，在進(jìn)/出水口做垂向及橫向擴(kuò)散后流向庫(kù)區(qū)。庫(kù)區(qū)邊界依據(jù)水庫(kù)水位按靜水壓強(qiáng)給出，隧洞邊界依據(jù)流量按平均流速給出。固壁邊界采用無滑移條件;水庫(kù)液面為自由表面。進(jìn)/出水口體型采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.3 m，總網(wǎng)格數(shù)1 628.3萬。圖2為計(jì)算網(wǎng)格。

1.3 模型驗(yàn)證

為進(jìn)行模型驗(yàn)證，本文對(duì)上述體型進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算條件為死水位298.0 m、出流流量2×80.8 m3/s，隧洞雷諾數(shù)Re=2.8×107，得到了進(jìn)/出水口流量分配和攔污柵斷面流速分布，并將結(jié)果與模型試驗(yàn)進(jìn)行了比較。表1為進(jìn)/出水口流量分配，圖3為邊、中孔攔污柵斷面中垂線流向流速分布。

數(shù)值模擬結(jié)果值與試驗(yàn)值吻合較好，RSM紊流模型能夠用于側(cè)式進(jìn)/出水口水力特性的研究。

2 模擬結(jié)果及分析

為研究隧洞坡角對(duì)側(cè)式進(jìn)/出水口水力特性的影響，采用上述進(jìn)/出水口體型參數(shù)，通過改變不同隧洞坡角θ=0.0°、θ=2.0°、θ=2.4°、θ=3.0°、θ=4.0°、θ=6.0°、θ=8.0°，來研究出流工況下內(nèi)部流速場(chǎng)、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)、流量分配和水頭損失系數(shù)等水力特性的變化規(guī)律。計(jì)算條件：死水位298.0 m、出流流量2×80.8 m3/s，隧洞雷諾數(shù)Re=2.8×107。由于體型對(duì)稱，邊孔1-1和1-4、中孔1-2和1-3的結(jié)果相同，因此后文以邊孔1-1、中孔1-2為例給出計(jì)算結(jié)果。

2.1 內(nèi)部流速場(chǎng)

圖4為邊孔典型斷面流速云圖。黑粗線表示流速為零的等值線。結(jié)果表明，（1）在斷面x=60 m至斷面x=40 m，隧洞坡角θ=0.0°～8.0°范圍，流速分布基本一致，即在斷面x=60 m（擴(kuò)散段進(jìn)口），主流位于孔口中間;在斷面x=50 m至x=45 m，主流貼附在兩側(cè)分流墩邊壁;在斷面x=25 m，隧洞坡角θ=0.0°～4.0°范圍，主流繼續(xù)貼附在兩側(cè)分流墩邊壁，而隧洞坡角θ=6.0°～8.0°范圍，主流轉(zhuǎn)移至兩側(cè)分流墩與頂板的夾角;在斷面x=10 m（攔污柵斷面），隧洞坡角θ=0.0°～4.0°范圍，斷面流速整體分布較為均勻，而隧洞坡角θ=6.0°～8.0°范圍，斷面流速呈上部流速大，下部流速小的趨勢(shì)。（2）隧洞坡角θ=0.0°～4.0°范圍，邊孔內(nèi)部流態(tài)良好，無反向流速區(qū);而隧洞坡角θ=6.0°～8.0°，在底部產(chǎn)生反向流速區(qū)，但在攔污柵斷面（x=10 m）反向流速區(qū)消失。[HJ1.97mm]

圖5為中孔典型斷面流速云圖。黑粗線表示流速為零的等值線。結(jié)果表明，（1）隧洞坡角θ=0.0°～8.0°范圍，各斷面主流在橫向上基本位于中孔中部，在垂向上隨著隧洞坡角的增大，主流位置不斷上移。（2）在隧洞坡角θ=0.0°，反向流速區(qū)在頂部產(chǎn)生發(fā)展直至消失，而隧洞坡角θ=2.0°～8.0°范圍，反向流速區(qū)在底部產(chǎn)生發(fā)展直至減弱或消失，這是由于隨著隧洞坡角的增大，主流逐漸上移，使得頂部流動(dòng)分離逐漸被抑制，而底部流動(dòng)分離逐漸發(fā)展。

2.2 反向流速區(qū)量化分析

2.3 流速不均勻系數(shù)

圖7為進(jìn)/出水口邊孔和中孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)，具體數(shù)據(jù)列于表3。結(jié)果表明，隨著隧洞坡角的增大，邊孔和中孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)先減小后增大，邊孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)由1.50逐漸減小，當(dāng)隧洞坡角θ等于垂向擴(kuò)散角α=2.4°時(shí)，邊孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)達(dá)到最小值（1.42），隨后逐漸增大到2.44;中孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)由1.81逐漸減小，當(dāng)在隧洞坡角θ等于垂向擴(kuò)散角α=2.4°時(shí)，中孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)達(dá)到最小值（1.71），隨后逐漸增大到3.01。

2.4 流量分配與水頭損失系數(shù)

表4列出了進(jìn)/出水口流量分配和水頭損失計(jì)算結(jié)果。圖8為邊、中孔流量分配。結(jié)果表明，隨著隧洞坡角的增大，邊孔流量分配先減小后增大，而中孔流量分配先增大后減小。邊孔流量分配由20.08%逐漸減小，當(dāng)隧洞坡角θ等于垂向擴(kuò)散角α=2.4°時(shí)，邊孔流量分配達(dá)到最小值（19.55%），隨后逐漸增大到21.88%;中孔流量分配由29.92%逐漸增大，當(dāng)在隧洞坡角θ等于垂向擴(kuò)散角α=2.4°時(shí)，邊孔流量分配達(dá)到最大值（30.45%），隨后逐漸減小到28.14%。

圖9為進(jìn)/出水口水頭損失系數(shù)。結(jié)果表明，隨著隧洞坡角的增大，水頭損失系數(shù)先減小后增大，水頭損失系數(shù)由0.350逐漸減小，當(dāng)在隧洞坡角θ等于垂向擴(kuò)散角α=2.4°時(shí)，水頭損失系數(shù)達(dá)到最小值（0.348），之后逐漸增大到0.369。

3 結(jié)論

考慮隧洞坡角對(duì)側(cè)式進(jìn)/出水口水力特性的影響，本文以某擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角為2.4°的側(cè)式進(jìn)/出水口為研究對(duì)象，利用RSM紊流模型進(jìn)行專門研究。當(dāng)進(jìn)/出水口擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角不大的情況下，且各隧洞坡角均滿足地形、地質(zhì)條件下，研究成果可供類似側(cè)式進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)提供參考。

（1）當(dāng)隧洞坡角等于擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角時(shí)，進(jìn)/出水口內(nèi)部流態(tài)較好，反向流速區(qū)的沿程范圍最小，攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)和水頭損失系數(shù)最小。

（2）當(dāng)隧洞坡角小于擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角時(shí)，隨著隧洞坡角的增大，反向流速區(qū)的沿程范圍、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)和水頭損失系數(shù)均逐漸減小。

（3）當(dāng)隧洞坡角大于擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角時(shí)，隨著隧洞坡角的增大，反向流速區(qū)的沿程范圍、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)和水頭損失系數(shù)均逐漸增大。

（4）當(dāng)隧洞坡角等于擴(kuò)散段垂向擴(kuò)散角時(shí)，進(jìn)/出水口可以獲得較優(yōu)的水力特性。

[HJ1.7mm]

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