（水力学及河流动力学专业论文）抽水蓄能电站进出水口拦污栅数值模拟.pdf

中文摘要 中文摘要 抽水蓄能电站的进出水口是电站输水系统的重要组成部分，它直接影响整 个电站的运行性能、安全和效益。抽水蓄能电站的拦污栅一般设置在水电站的 进出水口，以保护机组不受损害，使机组顺利运行，因而，拦污栅是水利枢纽 中不可缺少的设备之一。 在进行进出水口整体模型试验研究其水力学特性时，由于模型缩尺的原 因，一般不模拟拦污栅，并认为对试验结果不会产生大的影响。由于进出水口 的水力特性非常复杂，且国内外的参考实例较少，有必要对抽水蓄能电站进出 水口拦污栅的水力特性作深入分析和比较。 本文重点研究了抽水和发电工况时拦污栅对水流分布、压强分布和水头损 失的影响。利用三维k e 紊流模型，对西龙池抽水蓄能电站上库进出水口现方 案及其改变体型( 盖板、跌坎、分流墩、竖井扩散段) 共十一种体型的有( 无) 拦污栅抽水和发电工况进行数值模拟，通过分析拦污栅对进出水口流速分布、 压强分布和水头损失的影响，对这一问题进行论证，孔口流速分布的数值计算 结果与物理模型试验结果比较表明，数值计算较好地模拟了实际情况。就整个 进出水口而言，不模拟拦污栅，其结果能真实反映进出水口的水力学特性， 并推荐出最优方案。 关键词：抽水蓄能电站；盖板竖井式进出水口：拦污栅：k - e 紊流模型；水力 特性 英文摘要 a b s t r a c t t h ei n t a k e o u t l e ta tt h ep u m p e ds t o r a g ep l a n ti sa r li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e w a t e rc o n v e y a n c es y s t e mb ye f f e c t i n gr u n n i n gc a p a b i l i t y , s a f e t ya n db e n e f i to ft h e p l a n t f o rp r o t e c t i n gt h es a f e t ya n de x p e c t e dr u n n i n go fs e t s ，t h et r a s hr a c ko ft h e p u m p e ds t o r a g ep l a n tw a sd e s i g n e da tt h ei n t a k e o u t l e to ft h ep o w e rp l a n t t h e r e f o r e ， t h et r a s hr a c ki sn e c e s s a r yi nt h ew a t e rc o n s e r v a n c yh i n g e t h e r ei sn o tap r a c t i c a lp r o j e c to fv e r t i c a lp i p ei n t a k ew i mp l a t ei nu p p e r r e s e r v o i ro fp u m p e ds t o r a g ep l a n ti nc h i n au n t i ln o w t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s w a ss t u d i e db yt h ew h o l ee x p e r i m e n t a t i o no ft h ei n t a k e o u t l e t c u r r e n t l y , t h et r a s h r a c ki sn o ts i m u l a t e db e c a u s eo ft h em o d e lr e d u c e ds c a l e ，a n dt h o u g h ti tc o u l d nt e f f e c to nt h ee x p e r i m e n t a t i o n c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h i st y p ei n t a k e ，t h e h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c ss h o u l d b es t u d i e de l a b o r a t e l y t h ee f f e c t i n go nw a t e rh e a dl o s sa n dd i s t r i b u t i n go ff l o wa n dp r e s s u r eb yt h e t r a s hr a c ki ss t u d i e di n t h i st h e s i s m a k i n gu s eo ft h ek 一t u r b u l e n tm o d e l ，p u m p w a t e ra n de l e c t r i c i t yo ft h et r a s hr a c kw a sc o u n t e db yt h ep r o j e c ta n dt h eb o d i l yf o r m o ft h eu p p e rr e s e r v o i ro fx i l o n g c h ip u m p e ds t o r a g ep l a n t t h er e s u l ts h o w e dt h a t n u m e r i c a la c c o u n tc o u l dw e l ls t i m u l a t et h ep r a c t i c ec i r c s a sf a ra st h ew h o l e i n t a k e o u t l e t ，t h er e s u l tw o u l dt r u l yr e f l e c th y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c se v e nt h o u g hn o s t i m u l a t i n gt h et r a s hr a c ka n dr e c o m m e n d e d t h eo p t i m u mp a t 【e m k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep l a n t k t u r b u l e n tm o d e l ： v e r t i c a lp i p ei n t a k ew i t hp l a t e ；t r a s hr a c k ； h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字目期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：萝髟密蛊导师签名：i ，亨1 签字日期： 盱年厂月日 签字日期：。i 年f 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 抽水蓄能电站的发展背景 抽水蓄能电站发源于十九世纪八十年代的欧洲，已有上百年历史。从早期 直到五十年代末期，仍处于发展较缓慢的状态。从二十世纪六十年代开始才出 现具有近代工程意义的大容量抽水蓄能电站，这是现代电网发展的必然结果。 电网越大，调峰填谷问题、提高水( 火) 电利用率和减少系统能耗问题以及提 高供电质量和安全可靠度问题都越趋重要。大容量抽水蓄能电站正好能够起到 调峰填谷作用，提高火( 核) 电站和水电站的设备利用率，改善电网供电质量 等问题。截止到九十年代末期，世界上建成的抽水蓄能电站已经有2 7 0 座，容 量达9 0 0 0 0 m w 。在这3 0 年中，全世界抽水蓄能电站总装机容量增加了近3 0 倍， 发展潜力巨大。随着我国国民经济的飞速发展，全国各地电网容量不断增大， 解决电网的调峰容量已成为当前电力生产中的紧迫问题，开发大型抽水蓄能电 站是缓解这一问题的有效途径【1 】。 瑞士苏黎世的奈特拉电站是世界上最早的抽水蓄能电站，西欧是抽水蓄能 电站发展最好的地区之一，八十年代西欧各国抽水蓄能装机容量已达到 3 4 0 0 0 m w ，占全世界装机容量的4 0 。其中意大利发展抽水蓄能最为迅速，从 十九世纪六十年代到九十年代将近三十年的时间，由7 0 0 m w 发展到8 6 0 0 m w ； 法国处于西欧联合大电网中心，也兴建了大批抽水蓄能电站，到九十9 0 年代装 机已达到6 6 0 0 m w ；德国、奥地利、卢森堡等国也大量修建抽水蓄能电站，且 都是大容量、高水头机组；欧洲最著名的抽水蓄能电站是英国的迪诺威克抽水 蓄能电站，水头超过5 0 0 m 。从总装机容量来看，美国、日本、意大利、法国的 抽水蓄能电站装机规模最大。美国在十九世纪六十年代以前的装机为9 0 m w ， 到九十年已发展为2 8 0 0 0 m w ，而且电站的规模也在增大，水头也在增高。美国 百万级的电站有8 座，多数水头超过3 0 0 m ，绝大部分电站采用可逆式机组。据 统计美国在九十年代后期又陆续兴建了2 7 座电站，新增加装机容量2 0 0 0 0 m w ， 到2 0 0 0 年抽水蓄能电站总装机容量达到了4 9 0 0 0 m w 。蓄能电站迅速发展的主 要原因，是系统核电、火电容量大，急需抽水蓄能填谷调峰。美国还成立了核 第一章绪论 电站一抽水蓄能电站一常规水电站联合中心，分配核电站和火电站承担基荷， 抽水蓄能电站和常规水电站承担峰荷，彼此配合，既可满足用电需要，还可节 省投资。此外，世界上许多地区的国家都在发展大容量的抽水蓄能电站。 我国的抽水蓄能电站建设比较晚，在十九世纪六十年代河北省岗南水电站 安装了第一台1 5 万k w 的抽水蓄能机组，接着在河北潘家口水库又安装了3 台 9 0 m w 的抽水蓄能机组。自七十年代中期至八十年代中期，京津唐电网和华东 电网曾进行过大规模的抽水蓄能电站站址普查和选点勘测工作。在江苏曾先后 选择了太湖南大孚( 6 0 0 m w ) 、常州西湾( 1 5 0 m w ) 句容青石山( 3 0 0 m w ) ， 以及9 0 年代对溧阳沙河( 1 0 0 m w ) 、宜兴铜管山( 8 0 0 m w ) 等站址进行过规划； 在安徽对滁县琅琊山( 4 0 0 m w ) 、繁昌响水涧( 1 2 0 0 m w ) 、六安响洪甸( 8 0 m w ) 等站址进行了规划。后来因本地区电力供应主要矛盾在缺乏电量，从而兴建了 大批火电站，进入九十年代，我国开始大力发展抽水蓄能电站。已建成的抽水 蓄能电站有8 0 万k w 的十三陵、1 8 0 万k w 的天荒坪、2 4 0 万k w 的广州抽水 蓄能电站等2 0 余座。正在建设的抽水蓄能电站有1 2 0 万k w 的西龙池、6 0 万 k w 的琅琊山、1 2 0 万k w 的铜官山等1 0 余座。据估算，在2 0 1 0 年，我国东部 1 6 个省市电网需要3 0 0 0 万k w 的抽水蓄能机组。而现已建和在建的抽水蓄能机 组为7 0 0 万k w 。由于大容量、高参数火电机组的投产，电量供应矛盾不突出， 而尖峰电力( 容量) 供应又成为供电的焦点问题，因而抽水蓄能问题再次提到 议事日程上来。尤其是京津唐电网和广东、香港电网，后者由于大亚湾核电站 的建设投产，以及向香港电网供电，所以就由广州抽水蓄能电站率先兴建，随 后，华北电网也开始兴建十三陵抽水蓄能电站。由此可见我国的抽水蓄能事业 方兴未艾【2 】【3 。 1 2 抽水蓄能电站进出水口 1 2 1 进出水口类型与功能 抽水蓄能机组是双向运行的，故上水库和下水库的进水口和出水口都是双 向工作的，在水轮机工况时为进口，水泵工况时为出口。所以这两个建筑物的 进水口和出水口统称为进出水口。蓄能电站的进出水口和常规水电站进出水1 5 i 的不同之处在于： 2 第一章绪论 ( 1 ) 由于水流是双向的，进出水1 5 的体型设计要求更为严格。进水时水道应 为渐缩型，出水时应为渐扩型，全断面上流速要求均匀，不致发生脱流或回流， 故渐变段要设计的长一些。 ( 2 ) 进出水口的水力损失应减到最低程度，因为蓄能机组每一个运行循环水 流要以两种方式通过进出水口，哪一个流向的损失大都将影响蓄能电站的总效 率。 ( 3 ) 发电工况时上水库水流的进入如有较大的漩涡或挟带空气，不但会影响 压力水道的过流能力，而且可能导致机组的运行不稳定。有些电站地处寒带， 冬天上库水面要结冰，进出水口的设计应保证浮冰不被吸入。抽水工况时出口 处的流速不能过高，出口水流不应冲刷水库底板或将库底污物搅起，在水面结 冰时不应把冰面冲成碎块。 ( 4 ) 蓄能电站的水道中流速可能达到5 6 m s ，对拦污栅造成很大压力，甚 至产生破坏，拦污栅设计需有特殊的考虑。 ( 5 ) 抽水蓄能电站的输水道与水库的接口是双向的。随上水库构造的形式的 不同，上水库进出水口可有井式和侧式两大类结构，下水库则一律使用侧式进 出水口1 4 【5 】。 1 井式进出水口 当抽水蓄能电站的输水道与上水库垂直连接时( 使用竖井) ，在水库内最宜 采用井式进出水口，其基本形式是一个具有收缩曲线的垂直喇叭口。井式进出 水口应开在水库底板离开边坡一段距离，在进出水口附近的地形要求比较平坦。 井式进出水口可以是开敞式的也可以是有顶板的，如图1 1 所示，项板的作用 是使水流进入更平稳，减少涡旋；如水深较大则多用有进出水建筑物( 闸门塔) 的形式，如图1 2 所示。井式进出水口的优点是结构紧凑，工程量较小，在岸 边的开挖量很小，施工时可以较早的进行开挖。 影响进水口性能的主要因素是进口水流中的漩涡。喇叭型进水口在常规水 电站中已有很多年的应用经验，实际证明如果进水口有比较大的淹没深度则不 会产生漩涡或吸气，流动比较平稳。但在蓄能电站工程建设中，为充分利用库 容，经常把最低淹没深度设计的很小，所以迸水口水流设计的关键是在降低造 价的情况下如何保证水流平稳。 喇叭型进出水口常出现流速不均匀现象，不均匀出流会在水库中产生较大 第一章绪论 的扰动，增加水力损失。虽然可以装置径向的导流板，但各孔口的出流仍有差 异，要通过模型试验进行研究。 图1 - 1 抽水蓄能电站带顶板井式进出水口 图l - 2 抽水蓄能电站带喇门塔井式进出水口 2 侧式进出水口 抽水蓄能电站的输水道如以水平方式与上水库相连接，则宜使用侧式进出 水口，如图1 3 所示，下水库的进出水口则一般使用侧式的。侧式进出水口的 水力设计要求和井式的进出水口是相同的，无非水流的进出是在水平方向。侧 式进出水口设计的关键是要有形状合适长度较大的扩散段收缩段，因之在上下 水库岸边的开挖量较大，但其施工难度较小。 避一一q 。篓曼翌 k 。：纛遵三；：。；：；。t j i 蓬一 a ) 平面布置图b ) 纵剖面 图1 - 3 抽水蓄能电侧式进出水口 4 一攫巡 毪 ” 谨毯 第一章绪论 1 2 2 竟出水口的水流特性 】进口水流特性 在进水口消除漩涡是工程水力学的经典课题，多年来研究者集中探讨漩涡 的基本流态、漩涡的相似率和临界淹没深度等问题，但到目前为止，可作为设 计依据的只有淹没深度项。在工程上不可能要求进口水流完全没有漩涡或扰 动，实用的临界淹没深度定义为；低于此深度将有强烈的漩涡产生；高于此深 度则只产生一般漩涡和表面波浪吼 2 出口水流特性 进出水口在出流时的作用是有效地降低出流速度。由于经济上的原冈，现 代压刀管道隧洞的设计流速都取得很高，因此出水口的设计关键是如何使水流 台理的扩散、减小水力损失以及防止拦污栅的振动等。对于对称水流的扩散问 题现在已经有很多研究成果，但在输水道的转弯及变断面处水流分布是很不均 匀的。具有顶板的井式出水口最大相对流速取决于顶板的直径、扩散开口的高 度及其线型。侧式进水口的后段应有良好的扩散段才能得到比较均匀的出流i ”。 3 进出水口设计中存在的问题 根据上述特点与电站的运行特性，抽水蓄能电站进出水口的水力设计，通 常应重点解决以下几个问题： ( 1 ) 进流时，各级水位及流量f 均不产生有害的漩涡运动，特别是吸气漩涡； ( 2 1 山流时，水流均匀扩散，出口断面流速分布均匀，且1 i 产生反向流速， 以免引起拦污栅的振动及破坏； ( 3 ) 水头损失应较小： ( 4 ) 池内水流流态良好，水面波动小，池底与边岸不发生冲刷。 其中，最基本的是( 1 ) 、f 2 ) 项，它们不仅直接关系到机组与结构物能否正常 运转，而且往往是影响( 3 ) 、( 4 ) 两项的主要因素 ”。 1 2 3 拦污栅 拦污栅一般设置在水电站、择灌站和船闸输水廊道的进水口删。用以拦阻水 流中所挟带的污物( 浮冰、树枝、树叶和杂草等) ，佳有害污物不易进入引水道 内，以保护机组、闸门、阀及管道等不受损害，使机组或其他设备与结构物顺 内，以保护机组、闸门、阀及管道等不受损害，使机组或其他设备与结构物顺 5 第一章绪论 1 2 2 进出水口的水流特性 1 进口水流特性 在进水口消除漩涡是工程水力学的经典课题，多年来研究者集中探讨漩涡 的基本流态、漩涡的相似率和l 临界淹没深度等问题，但到目前为止，可作为设 计依据的只有淹没深度一项。在工程上不可能要求进口水流完全没有漩涡或扰 动，实用的临界淹没深度定义为：低于此深度将有强烈的漩涡产生；高于此深 度则只产生一般漩涡和表面波浪【6 1 。 2 出口水流特性 进出水口在出流时的作用是有效地降低出流速度。由于经济上的原因，现 代压力管道隧洞的设计流速都取得很高，因此出水口的设计关键是如何使水流 合理的扩散、减小水力损失以及防止拦污栅的振动等。对于对称水流的扩散问 题现在已经有很多研究成果，但在输水道的转弯及变断面处水流分布是很不均 匀的。具有顶板的井式出水口最大相对流速取决于顶板的直径、扩散开口的高 度及其线型。侧式进水口的后段应有良好的扩散段才能得到比较均匀的出流【7 1 。 3 进出水口设计中存在的问题 根据上述特点与电站的运行特性，抽水蓄能电站进出水口的水力设计，通 常应重点解决以下几个问题： ( 1 ) 进流时，各级水位及流量下均不产生有害的漩涡运动，特别是吸气漩涡； ( 2 ) 出流时，水流均匀扩散，出口断面流速分布均匀，且不产生反向流速， 以免引起拦污搬的振动及破坏； ( 3 ) 水头损失应较小； ( 4 ) 池内水流流态良好，水面波动小，池底与边岸不发生冲刷。 其中，最基本的是( 1 ) 、( 2 ) 项，它们不仅直接关系到机组与结构物能否正常 运转，而且往往是影响( 3 ) 、( 4 ) 两项的主要因素f 8 】。 1 2 3 拦污橱 拦污栅一般设置在水电站、排灌站和船闸输水廊道的进水口1 8 。用以拦阻水 流中所挟带的污物( 浮冰、树枝、树叶和杂草等) ，使有害污物不易进入引水道 内，以保护机组、闸门、阀及管道等不受损害，使机组或其他设备与结构物顺 5 第一章绪论 利运行。因而，拦污栅是水利枢纽中不可缺少的设备之一。 拦污栅设计的基本要求是过栅水流平顺，水头损失小，此外还应考虑清污 方便、便于安装、检修及更换。 影响拦污栅布置的主要因素有： ( 1 ) 进水口的型式、用途、位置及其在水下的深度； ( 2 ) 水库的大小、等级及引水方式； ( 3 ) 管道的引用流量及允许过栅流速； ( 4 ) 水流所挟污物的性质、大小及数量、机组、闸门或阀的类型尺寸等； ( 5 ) 当地气候条件及水库水位的变化情况； ( 6 ) 清污方式； ( 7 ) 制造、安装及运输条件； ( 8 ) 鱼类问题。 引水道进口按其在水面下的位置而分为深式及浅式两种。深式进水口因位 于深水之下，故其拦污栅受冰冻和污物堵塞的机会要较浅式进水口拦污栅少些， 一般不要求机器清淤。深式进水口或高度较大的浅式进水口的拦污栅，一般垂 直置放。垂直置放可以缩短进水口建筑物的长度，减少建筑物的投资。高度不 是太大的浅式进水口的拦污栅，一般倾斜置放。倾斜的拦污栅可提高清污机的 清污效果。由于清污的要求，倾斜置放的拦污栅与水平面的夹角多采用 口= 7 0 。7 5 。左右。当电站引用流量一定时，拦污栅倾斜置放较垂直置放扩大了 栅面，因而降低了流速，因而降低了速度，减小了水头损失。 拦污栅包括栅叶和栅槽埋件两部分。栅叶是由栅面和支承框架构成。栅面 是数块栅片连接排列而成，栅片由平行置放的金属栅条连接而成。栅条一般用 扁钢制成，其断面常为矩形，有时为了减少水头损失，可采用流线型截面。对 于矩形截面的栅条，栅条厚度一般为6 1 2 m m ，不易大于2 0 n m a ；其高度不易大 于】2 倍的厚度，也不易小于5 0 r a m ；栅条的侧向支承间距不易大于7 0 倍的栅条 厚度 2 】f 6 【9 】。 对于抽水蓄能电站，有发电和抽水两种基本工况，且其水道流速较大。这 种具有较大而又极不均匀流速的双向水流冲击拦污栅时，会在栅叶上产生旋涡， 旋涡脱体而产生侧向推力和顺向曳引力，使栅条或整扇拦污栅产生振动，导致 疲劳破坏。所以，抽水蓄能电站的拦污栅，应有承受双向水流和抗振的功能。 第一章绪论 为了增加结构的刚度，提高抗振性能，使水流圆滑地绕过，栅条及主梁形状宜 制造成近乎流线型，并采取适当加大栅条厚度、缩短栅条的支承间距，使用冲 击韧性与焊接性能良好的钢材，以及提高焊接质量等措施【l o 】【1 1 1 。 1 3 本文研究的目的和意义 目前，抽水蓄能电站进出水口设计中存在的水力学问题之一是孔口处出现 的负流速现象，拦污栅由于受到正、反两个方向的动水负荷作用，使拦污栅长 期处于超载与振动等恶劣条件下，情况严重时，还可能发生变形甚至破坏，负 流速的存在还会把库底的泥沙、库内的冰块带入水轮机内，使水轮机造成不同 程度的损坏，严重时可能会发生事故。在进出水口处通常布置拦污栅，其目的 是防止树木、杂草、浮冰等物体进入水轮机进而影响水轮机组的正常运行。拦 污栅的布置将对水头损失和流速分布等产生影响。在进行进出水口整体模型试 验研究其水力学特性时，由于模型缩尺的原因，一般不模拟拦污栅。通常认为， 模型试验中不模拟拦污栅不会对试验结果产生大的影响，然而，这一结论未曾 得到过专门论证。本文拟结合某抽水蓄能电站上库进出水口对这一问题进行论 证，利用三维k s 紊流模型对有( 无) 拦污栅进行数值模拟，通过分析拦污栅 对进出水口流速分布和水头损失等的影响，研究拦污栅对进出水口流速分布 和水头损失等的影响。 目前，对进出水口水力特性的分析方法有两种：一种是物理模拟，另一种 是数值模拟。数值模拟的最大优点在于消耗的财力和物力少，而且能比较全面 地了解整个流场中的每一个点随时间和空间变化的情况。 随着计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 飞速发 展和计算机容量的不断提高。用微型计算机承担大尺度、复杂边界的水力计算 已经成为可能。水利工程中很多流体力学问题可以应用计算机完成。这是流体 力学研究的又一次飞跃【1 2 】【1 3 】。 1 4 西龙池抽水蓄能电站的工程概况 西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻州地区五台县滹沱河与清水河交汇处上 游约3 k m 处的滹沱河左岸，距忻州市、太原市直线距离分别为5 0 k m 及1 0 0 k m 。 第一章绪论 总装机容量为1 2 0 0 m w , 装设4 台单机容量为3 0 0 k r 的竖轴单级混流可逆式水泵一 水轮机组，年发电量1 8 0 5 亿k w h ，年抽水用电量2 4 0 7 亿k w h ，为一等工程， 主要建筑物为一级。 电站输水系统由上水库进出水口、高压管道、岔管、高压支管、尾水隧洞、 下水库进出水口组成。上水库采用设盖板的井式进出水口，由盖板、分流墩、 拦污栅、竖井扩散段、竖井等管径段、弯道段和末端渐变收缩段组成( 图1 4 ) 。 进出水口至事故闸门间引水主管管径为5 2 脚钢筋混凝土衬砌。两个进出水口 平行布置，中心距5 0 0 用。设盖板的井式进出水口，沿洞围设8 个分流墩，顶 部设1 历厚钢筋混凝土盖板，盖板直径2 2 3 历，盖板顶高程1 4 6 4 5 m 。进出水e l 孔口顶高程1 4 6 3 5 m ，孔口高3 5 m , 孔口底高程1 4 6 0 m 。竖井扩散段为椭圆曲线， 方程为x 2 5 6 5 2 + y 2 2 2 2 = 1 。高压管道的上平段高程为1 4 1 4 1 2 m 。拦污栅位于 进出水口入口处，按7 3 3 。安放，整个拦污栅由3 4 榀组成，栅条断面尺寸为 2 0 t r u n x l 6 0 m m 的矩形，栅条中心间距上部1 6 7 m m , 下部1 9 6 m m ，栅条用2 0 r a m 2 4 0 脚 的穿条横向连接，穿条间距6 4 0 r a m ( 图1 5 ) 。水库正常蓄水位1 4 9 2 5 r a ，正常运 行最低水位1 4 7 3 2 2 m ，死水位1 4 6 7 o m 。发电工况，一台机组最大流量5 4 1 8 m3 厶， 两台机组最大流量1 0 8 3 6 m 3 厶，抽水工况，一台机组最大流量4 6 7 6 m3 厶，两台 机组最大流量9 3 5 2 m 5s 。 * r 图1 4 进，出水口剖面图 第一章绪论 1 5 本文的主要工作 图1 5 进出水口拦污栅布置图 本文利用k e 紊流模型对西龙池抽水蓄能电站上水库盖板竖井式有无拦污 栅进出水口抽水及发电两种工况进行数值模拟。 通过模型试验分析，盖板竖井式进出水口进流和出流时的水力学问题是竖 井式进出水口的难点问题，比较难以解决。本论文拟就这一问题进行研究，重 点解决以下问题： f 1 ) 有( 无) 拦污栅抽水工况出流时出流是否均匀： ( 2 ) 有( 无) 拦污栅抽水工况出流时竖井扩散段、孔口附近的水力学特性( 包 括水头损失、压力分布及流速分布) 及两种情况的对比。 ( 3 ) 有( 无) 拦污栅发电工况进流时进流是否均匀； ( 4 ) 有( 无) 拦污栅发电工况进流时竖井扩散段及孔口附近的水力学特性及 两种情况的对比： ( 5 ) 对进出水口的体型进行优化。 为研究有( 无) 拦污栅抽水工况出流及发电工况进流时竖井扩散段、孔口附 近的流动特性，以及探讨拦污栅对进出水口水力特性的影响。利用三维k e 紊 流模型，重点模拟了竖井扩散段、出口附近的流动情况，包括水头损失、压力 分布、及流速分布等。在现有设计方案进出水口体型的基础上，将对进出水 第一章绪论 口的体型进行优化。通过对十一种不同体型模拟结果的分析，提出优化进出水 口的建议。 1 6 小结 本章首先介绍了抽水蓄能电站的进出水口的类型和水流特性，并对拦污栅 进行了细致的描述，讨论了对抽水蓄能电站有( 无) 拦污栅进出水口数值模拟 必要性和可能性，说明了本文的主要研究内容。 第二章紊流模型 第二章紊流模型 本文所采用的k s 紊流模型是计算流体动力学中使用最广泛的紊流模型之 一。本章首先简要介绍紊流模型的一些重要基本概念，然后重点说明k s 紊流 模型，其它紊流模型仅作简要介绍。 2 1 紊流微分方程式 紊流的突出特点是流速、压强等动力特征值做无秩序的脉动，从而导致流 体动力场中的瞬时值与空间和时间坐标的关系极为复杂和混乱。瞬时流速值由 具有不同周期和不同频率的脉动迭加而成并且看不出明显的规律性。由于这种 瞬时值的紊乱和随时间和空间的剧烈变化，在研究紊流时必须采用某种平均法 则对各动力特性加以平均，才能获得一个有规律的用平均值表示的动力特征场， 以便应用数学分析的一般方法对紊流规律进行研究。雷诺首次将这种初步的统 计概念引进紊流的研究工作中。雷诺的研究成果已成为现代紊流研究的基础【1 5 。 雷诺对流体从层流状态过渡到紊流状态作了两点假设。第一，粘性流体反 抗内部剪力的能力，即粘滞系数没有改变，在紊流运动中仍保持原来的数值。 第二，流体的连续性没有受到破坏，尽管紊流内部结构复杂，但仍可视为连续 介质。因此雷诺认为描写粘性流体运动的n s 方程式对于紊流仍然是适用的。 在上述前提下，引入了脉动场时均值的概念。如令u ，e ，分别表示瞬时速度、 时均速度和脉动速度在石轴上的分量，p ，f ，p 分别表示瞬时压强、时均压强和 脉动压强，则有： u ，= u ，+ “。，p = p + p ( 2 1 ) 将上式代入连续性方程和n s 方程推导出不可压缩流体紊流运动的连续性方程 和动量方程式( 又称雷诺方程) ： a 驴 1 = 0 ( 2 2 ) 拟? 盟k - o t 巧塑o x j 一土p 嚣o x + 寿卜筹一吲+ e 旺。， ，硝，【硝， 通常去掉时均符号，得 第二章紊流模型 a u 上= 0 科 ( 2 4 ) 型o t 心坐o x j 一三p 嚣+ 毒卜等o x 一瓦卜 s ， 凹，材，i，j 由于此方程只有的时均值，故消除了因脉动而引起的不规则变化，使方程便于 应用。然而由于方程中出现了一“项，又产生了新的困难。如果将这些新增加 的项乘以流体密度p ，即一p u ，“，则这些项具有紊动应力的物理意义，也称之 为雷诺应力。公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 是计算时均流场的基本方程组。由于方程中 存在独立的脉动速度相关项一五i ( 雷诺应力项) ，因而方程组不封闭【1 6 1 1 7 】【1 ”。 2 2 紊流模型 紊流模型的实质是用各种方式封闭时均雷诺方程式。为了使式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 组成的方程组封闭，必须引入附加的关系。紊流粘性概念和紊流扩散概念是目 前流行的大多数紊流模型普遍采用的。 2 2 1 紊流粘性概念 布辛涅斯克提出的紊动粘性概念，是模拟紊动应力( 即雷诺应力一p u ，“) 的 最古老的建议，也是目前流行的大多数紊流模型的重要基石。布辛涅斯克假设， 紊动应力可类比于层流的粘性应力，与时均流的速度梯度成正比，即 一瓦v ( 等+ 等】一知 a ， 式中咋为紊流运动粘性系数；毛是k r o n e c k e r 符号，当i = j 时氏= 1 ，当i j 时瓯= o ； k 是单位质量紊动动能。式( 2 6 ) 中必须确定的未知量只是紊动粘性系数v ，的分 布。引入式( 2 6 ) ，提供了构造紊流模型的基础，使模拟紊动应力问题转化为确 定v 的分布。 紊动粘性概念的形成，是将紊流运动类比于气体分子运动的结果。分子粘 性正比于分子的平均速度和分子的平均自由程。与此相应，紊动粘性正比于脉 动的特征速度和特征长度， 第二章紊流模型 v lo c 既 ( 2 7 ) 在若干种形式的水流中，能得到矿和l 的近似分布，从而可得出u 的近似分布。 2 2 2 紊流扩散概念 将紊动热( 或质量) 输运与紊动动量输运直接类比，通常假设热( 或质量) 输运与被输运的量有关： 一历：r 丝 ( 2 8 ) 一 。妒2 l 。= 一 l z 。o - 式中r 是热( 或质量) 的紊动扩散系数。r 与y ，一样，不是流体本身的特性，而 是依赖于紊动的状态。由于热输运和动量的输运机理相似，可以认为r 的数值 与v ，的数值有密切联系： r = y ，o ， ( 2 9 ) 对于热输运问题，盯，称为紊动普朗特数，对于质量输运问题，盯，称为紊动施密 特数。q 在不同形式的水流中，q 几乎不变。在不少紊流模型中采用式( 2 9 ) ， 并将盯取傲常数。 2 2 3 方程模型 紊动动能t 方程模型是一种单方程模型，也是推导t s 模型的第一步，在 这里作简要介绍。 为单位质量紊动动能，是三个方向的紊流脉动强度的直接度量。七是大 比尺紊动的速度比尺，将t 作为速度比尺矿，代入式( 2 7 ) 中，可得， v ；= c ：，以上 ( 2 1 0 ) 式中c ：为经验常数，此式被称为柯莫哥洛夫普朗特表达式。的分布由t 的输运方程来确定。 由n s 方程可导出准确的女的输运方程， 善_ 毒= 毒h 半+ 劫一瓦等低丽一v 瑟 眩 k 的变化率由以下各项平衡：变化率项( 等号左第一项) ，时均运动的对流输运 第二章紊流模型 项( 等号左第二项) ，速度脉动和压力脉动引起的扩散输运项( 等号右第一项) ， 雷诺应力和时均流速度梯度的相互作用形成的k 的剪切产生项( 右第二项) ，浮 力产生项( 右第三项) ，紊动动能耗散为热量的粘性耗散项( 右第四项) 。 精确的k 方程在紊流模型中无法使用，因为扩散项和耗散项中出现了新的 未知的相关关系。为了得到封闭的方程组，必须提出假设，对这两项进行模拟。 与标量扩散相似，可假设k 的扩散通量和k 的梯度成正比( 在高雷诺数情况下， 略去了分子粘性作用) ： ”。f 堕+ 旦1 _ 旦旦( 2 1 2 ) j 2 pj a ka x | 式中吼为经验常数。耗散项可用下式进行模拟， 一。孚 式中c 。亦为经验常数。 将式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 代入紊动动能方程式( 2 1 1 ) ，并对五万和一u t r p 采用紊动粘 性系数和紊动扩散系数表达式( 2 6 ) 和( 2 8 ) ，k 方程可写为 a 钟k + ，瓦a k = 毒( 毒剖+ 嵋l 吗o u t + o 甄u jj ) 科o u j 7 + 詹，詈警一学 c z ，。， 通常可定义p ：_ f 垦生+ 皇尘1 盟，p 为剪切产生项； 【o x ，o x ，j o x ， g 哦昔景， g 为浮力产生项 上式为大多数单方程模型中采用的k 的输运方程。单方程模型考虑到紊动速度比 尺的对流输运和扩散输运；在非恒定流动中，还考虑到紊动的历史。但是，单 方程模型中如何确定长度比尺三为不易解决的问题，很难用经验方法解决。紊 流模型发展中的实际需要，使人们转而寻求更普遍、更精细的方法确定长度比 尺l 的分布，其结果就是双方程模型。 第二章紊流模型 2 2 4 k 一占模型 k s 模型在紊动能方程外又增加了一个确定紊动特征长度上的偏微分方程， 这样在时均流的基本方程之外共有两个偏微分方程。这两个方程是紊动能k 和紊 动能量耗损率8 的方程。 k 方程上面已有介绍。另一方程要表示三的分布，表征大的含能涡旋的尺寸 大小，它与紊动能量k 一样，受输运过程的影响和制约。长度比尺输运方程不一 定以上为自变量，形同公式( 2 1 5 ) 的任何组合均可作为长度比尺输运方程的因 变量。 z = k ”f 其中应用较多的是取z = s ，m = 3 2 ，= 一1 ，即 k 3 7 2 p 。一 三 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 在高雷诺数情况下，水流具有局部各向同性，耗散率s 等于分子粘性系数乘 以脉动速度的梯度，s 方程的建立仍是从n 二s 方程出发，可得准确的s 传输方程。 洛迪( r o d i ，w ) 认为在高雷诺数情况下，局部各向同性而将5 传输方程写为 堡o t p-uj旦一ax疗一j(uje)ox ， z v f ( 器o x ko x 卦o xz v 杀o x|i 瓠ji ( 2 1 7 ) 式中的扩散项、产生项和耗散项都要求模化才能封闭方程组。对扩散项常取梯 度假定， 一- - u j e ：旦当 ( 2 1 8 ) o c 融l 对其他两项采用下列模型假定， 砌隔一z 杀卜2 中峋 q m 。譬眨 、c l c ：。、c 3 。为经验常数。采用这些假定后，方程成为 詈+ u 毒= 面o 八( 吒v , 勰e e ，j 1 + c 。詈c 尸+ 咧，+ c 水，一c ：；譬 c z 瑚， p 的变化率由以下各项平衡：变化率项( 等号左第一项) ，时均运动的对流输运 、， 第二章紊流模型 i 贞( 等号左弟二项) ，扩散输运项( 等号右第一项) ，产生项( 右第二项) ，破坏 项( 右第三项) 。 以下方程式构成标准的k s 模型方程组， a u = 0 ( 2 4 ) 趟 。7 塑o t 州，筹一土p 盖+ 毒卜等a x 一瓦j + f 眨s ， 。硝，硝，l，。j 7 。 一一u i z l j v 筹+ 警一峨 眨s ， 一o k + u ，荨o k ：旦f 旦要l + p + g s ( 2 2 1 ) o t i a x j o x j 卜ka x i1 1 鲁+ u ，毒2 面a 八( 吒v t 凹c g e ，j + c - 。量c p + 唰，+ c 水，一c ：。譬 c z 珈， r = y ，盯，( 2 9 ) u：c。生(222) 式中p = _ ( 考+ 等 筹，p 为剪切产生项； g ：p g ，旦罢当， g 为浮力产生项。 仃以 式( 2 2 2 ) 是式( 2 1 0 ) 代入式( 2 1 3 ) 得到的。 从以上紊流模型的方程组中，我们可以得到u ，、p 、k 、f 、f 、v ，在时间 和空间上的分布。以上紊流模型的方程组适用于不可压缩，考虑浮力，高雷诺 数的情况( 在高雷诺数情况下，分子粘性作用可以被忽略) 。 本文中所要研究的抽水蓄能电站进出水口的水力特性问题，可以不考虑浮 力影响。所以，k s 模型中的k 方程和f 方程改写为： 竺川要：喜f 旦要l + 尸一譬( 2 2 3 ) a t i a x ia ) ( 八o ka x i 第二章紊流模型 害+ u ，毒。面a 八( 吒v 。吗a si j + c ，s 量p c z s 譬 c ：斟， 抽水蓄能电站迸出水口水力特性问题属于边壁切变紊流，高雷诺数只能在 距离边壁较远处适用，而在距边壁较近处将有边界层影响，必须采用壁面假设。 k s 模型中几个经验常数( 没有浮力影响时c ，。= 0 ) ，可由实验求得。下列 数值系按朗德尔( l a u n d e r ) 和史帕丁( s p a l d i n g ) 的建议，适用于大多数紊流情 况： 巳 0 0 9 q 。 1 4 4 c 2 。 1 9 2 o k口f 1 o1 3 以上k s 模型中的经验常数由下述方法决定： ( 1 ) 确定c ：； 为了决定c 2 。，我们考虑简单地耗散紊流，在这种流动中，没有平均速度梯 度，典型的例子是x 方向上的一维栅格紊流，它是使流体通过特定栅格系统得 到的。如果对流项比耗散项大得多，c 2 。将是方程( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 中唯一出 现的系数。对发展较好的紊流，我们可以省略时间引出项，因此k 和s 只是x 的 函数，简化方程( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 为： u 丝：一占 ( 2 2 5 ) 敬 叭c 衙3 e _ c 2 ；i c 2 ( 2 2 6 ) k 的解为： 二l k x ( c 2 。一1 ) ( 2 2 7 ) c 。可根据栅格后测量的的延程衰减情况直接确定。结果表明：c z 。在1 8 2 0 之间。 ( 2 ) 确定e 对于当地平衡状态的剪力层，p = s ，由公式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 得： 用实验方法可测量出丽肛* 0 3 ，故c 。= 0 0 9 。 ( 2 2 8 ) 第二章紊流模型 ( 3 ) 确定c 。 在近壁区，流速分布为对数曲线 此，方程简化为 c 扩c ：r 一丽( 2 p 近似等于s ，且s 的对流忽略不计。据 ( 2 2 9 ) 式中的芷为卡门常数，取为0 4 2 。只要系数c 。，c ：。和已知，c 。的值就能 定下来。此时我们已经定下c 。和c ：。的值，剩下的工作就是决定的值了。 ( 4 ) 确定吼和吒 扩散常数吼和o - 。各先设为接近于1 ，再与c ：；一起，运用计算机优化过程 进行调整。我们期望和吼的值能接近一致，这意味着k 和s 的扩散率粗略的与 平均速度扩散率相同。通过计算机优化，采用不同的经验系数的组合，得出数 值结果和实验数据匹配最优的系数，最后，分别选取吒和o k 的值为1 3 和1 0 。 应当指出，以上所给出的女一s 模型中几个经验常数，不是也不可能是完全通 用的。经验指出，即使对某些不很复杂的水流，某些常数也要取不同的数值。 如果采用合适的水流参数的函数代替某些常数，便可以扩大k s 模型的适用范 围。罗迪( w , r o d i ) 在这方面作了很多研究。 例如，用以上常数计算轴对称射流，所得到的射流在静止介质中的扩张率 比实测值高3 0 。对此，罗迪按下式计算c 。和c ：。： c 。= o 0 9 一o 0 4 f ，c 2 。= 1 9 2 0 0 6 6 7 f ( 2 3 0 ) 州= | 击陪一酬“2 眨s t ， 此修正式的主要想法是反映射流轴线速度u 。减d 、时，c 。和c ：。的数值也相应减 小；当u 。沿程增加时，公式( 2 3 1 ) 给出厂= 0 。引入射流宽度艿和射流横截面 上的最大速度差u 。，是为了将妥工无因次化。式( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 只适用 于轴对称射流。此外，罗迪还对弱剪力层( 射流和尾迹的远区) 的c ，值作了修 正： c 。= 廿| 、 式中p f 是p 居在弱剪力层中的横截面的平均值。 第二章紊流模型 由以上两例可以看出，对k 一模型中几个经验常数进行修正必须有大量的实 测资料作依据，而且这种修正只能针对某种特定类型的水流，而不是普遍性的。 本文所要研究的抽水蓄能电站进出水口的水流特性非常复杂