水库水温分层对浮式取水口前流速分布的影响.docx

1、水库水温分层对浮式取水口前流速分布的影响高学平，刘俊，孙博闻，宋清林(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要：由于目前缺乏对浮式取水口前流场变化规律的研究，以分析水库水温分层对取水口前各断面流速分布影响为目标，依据某水库水温资料，采用k-e紊流模型对浮式取水口前流场进行三维数值模拟，针对水库水温均一和水温分层的两种情况，研究取水口前流速分布，分析水库水温分层对取水口前各断面流速分布的影响。研究结果表明，在浮式取水口附近，水温均一和水温分层的流速分布存在着差异，这种差距随着取水流量和淹没深度的增大而减小。研究成果可为浮式管型取水设施的应用和运行提供技术支持，为取水水温预

2、测提供理论依据。关键词：环境水力学；浮式取水口；三维数值模拟；流速分布；水温分层；水库doi：10.13928/ki.wrahe.2017.09.020中图分类号：X143文献标识码：A文章编号：1000-0860(2017)09-0132-07EffectfromreservoirwatertemperaturestratificationonvelocitydistributioninfrontoffloatingwaterintakeGAOXueping,LIUJun,SUNBowen,SONGQinglin(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineerin

3、gSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Duetolackofstudiesmadeonthechanginglawoftheflowfieldinfrontoffloatingwaterintakeatpresent,a3-Dnumericalsimulationismadeontheflowfieldthereinwiththek-eturbulencemodelinaccordancewiththewatertemperaturedataofareservoirbytakinganalyzin

4、gtheeffectfromthereservoirwatertemperaturestratificationontheflowvelocitydistributionsinallthecross-sectionsinfrontoffloatingwaterintake,fromwhichtheflowvelocitydistributioninfrontofthewaterintakeisstudiedforboththeconditionsoftheuniformwatertemperatureandthewatertemperatureslratiGcation,andthenthee

5、ffectfromthereservoirwatertemperaturestratiGcationontheflowvelocitydistributionsinallthecross-sectionsinfrontofthefloatingwaterintakeisanalyzed.Thestudyshowsthatthefiowvelocitydistributionsundertheconditionsofboththeuniformwatertemperatureandthewatertemperaturestratificationaredifferentnearthefloati

6、ngwaterintakeandthedifferenceisdecreasedalongwiththeincreasesofwaterintakingflowrateandsubmergeddepth.Thestudyresultcannotonlyprovideatechnicalsupportforthefloatingtubularwaterintakefacility,butalsocanlayatheoreticalbasisforthepredictionofthewatertemperatureforwaterintake.Keywords:environmentalhydra

7、ulics;floatingwaterintake；3-Dnumericalsimulation；flowvelocitydistribution；watertemperaturestratification；reservoir收稿日期：2016-12-27基金项目：国家自然科学基金(51279125);国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51321065)；天津市应用基础与前沿技术研究计划(15JCYBJC22600)作者简介：高学平(1962-),男，教授，博士，研究方向为工程水力学。E-mail；xpgao1.1控制方程连续性方程a输n说=。(1)运动方程du,du,+U.:dt)dx

8、)po边a功a%(2)k为程dkdk-+u；=dtJdx-喘(T)剧(3)，方程x芸询导斜(+泛腾l+G，W(G+CS)-隽dT(5)0引言水库建成蓄水后，因水深较深，在太阳辐射作用下在垂向逐渐形成稳定的水温分层结构，底层水体温度低于表层，温差有时甚至可达20r,:o长期从水库取用低温水对农业灌溉和下游生态系统造成的危害已经受到专家学者们的关注为改善长期取用低温水的困境，许多水库修建或改建了不同类型的分层取水设施，常用的分层取水措施有叠梁门、多层取水口、浮式取水口等。其中，浮式取水口多用于低水头和小流批的小型水库，取水口在浮子的作用下浮于水库上半部分，结构简单，运行管理方便。图1为某工程的浮式

9、取水口布置。关于各类型取水设施的取水温度研究目前已取得了一些成果。在水温分布方面，邓云建立了立面二维模型，并将其应用于大型深水库水温分布的预测。张士杰等分析了上游来水水温和大坝出水位置对坝前库区水温结构的影响。任华堂等分析了不同取水口高程对库首水体水温垂向结构的影响。在取水水温方面，高学平等对浮式取水口分层取水下泄水温进行了试验研究，对水库水温分布、取水口淹没深度和取水流量与浮式管型取水口下泄水温关系进行了研究。郑铁刚等：以丰满水电站为研究对象，分析了下泄水温随取水商程的变化规律。高学平等通过物理模型对比了不同类型取水口下泄水温规律。练继建等“°:通过数值模拟研究了影响控制幕下泄水温

10、的原因，并提出了控制幕下泄水温公式。在取水口前流速方面，陈弘等皿】利用数值模拟方法研究了水温分层对叠梁门分层取水前流速分布的影响。李广宁利用数值模拟方法研究了不同水温分布下多层取水口前的流速分布规律。HISHIDA等3】将PIV和PLIF技术对温度分层流同一时刻的流场和温度场进行研究。SHAMMAA等"妇利用PIV和LIF研究了二层流控制幕前温度交界面高程和流场随时间的发展和演变过程。本文以浮式取水口为研究对象，针对库区水体水温均一分布和水温分层分布的两种情况，利用数值模拟方法研究取水口前流速分布情况，分析水温分层对取水口前各断面流速分布的影响。1数学模型能量方程买+%.丝=当事-京

11、dt'gdxTdxt,状态方程p=(1.02027692x10'3+6.77737262xlOT-9.05345843xIO"尸+8.64372185x10项俨-6.42266188xl。-”尸+1.05164434x10*尸-1.04868827xlO_297*)x9.8xlO5(6)式中，-砺=边(告+剧-争为脉动流速；k=页/2为单位质量紊流动能；6«(岩+膘)告剪切产生项；Gb=%旱葺为浮力生成项；Dq/pCp为热扩散系数；3=4改为紊流运动粘性系数；£为e紊流动能耗散率；4、C”、叫和七均为模型通用常数，分别取为0.09、1.44、4.9

12、2、1.00和1.30。采用B0USS1NESQ假定，只在帝力项中考虑密度变化的影响。密度变化可表示为温度变化的线性函数.其中，。=一；（务），为热膨胀系数；P.为参考密度M=（籍），=-阻1.2模型建立坝前540m处为浮式取水口模型入流边界，保持水位恒定，垂向水温分布选取该水库典型平水年表底温差较大月份的水温实测值；浮式取水口管道水平段30m为出流边界，流速按照管道平均流速给出；固壁边界采用无滑移条件；表面采用VOF自由液面，库内初始水温为坝前水温实测值，如图4所示。某典型温度分层型水库坝商30m,正常水深22m,对应库容为514万诙水库采用浮式管型取水口,管径0.9mo对该浮式取水口建立三

13、维数学模型,水流方向模拟范围为坝前上游540m库区至水电站进水口，垂向模拟范围为能够充分表现水温分布特征的自由水面至淹没深度为13.5m的区域，为了使研究成果具有较好的普适性，减少水库地形对浮式取水口附近流速分布的影响，选取坝前540mx18mx13.5m长方体水体进行计算，计算区域如图ESI*图4水库水温分布0水温/c13182328£一X图2潭式取水口计算区域示意该计算区域为方形结构化网格，在浮式取水口管口附近和取水管道进行局部网格加密，加密部分网格的尺寸为0.12mxO.12mxO.12mo为了优化网格数量:和增强计算稳定性，对浮式取水口的弯管部分进行处理。浮式取水口计算区域网

14、格划分如图3所示。1.3模型验证对三维数学模型，计算水温均一时取水流量1.38m'/s,淹没深度5.4m工况，选取浮式取水口前1.8m处流速分布并与试验值进行对比，计算值与试验值吻合较好，如图5所示。对于水库典型平水年的水温分布，计算取水流址2.40mVs,淹没深度分别为2.7m和5.4m工况时的下泄水温与文献6的室内试验实测值进行对比，其结果如表1所列。对比结果表明，数值模拟下泄水温和实测下泄水温结果吻合较好,相对误差均小于5%,说明该浮式取水口数学模型合理。图3浮式取水口计算区域网格划分断面MM/m-s40040.080.12图5试巍值计算偷取水口高程取水口前1.8m流速分布距取水

15、口距离/m水温均一分布水温分层分布最大值/ms-1最小值/ms"1平均值/ms-1不均匀系数嫩大值/m8_,最小值/m平均值/m不均匀系数1.80.1020.0070.0234.3350.0950.0000.0175.6635.40.0270.0170.0221.2310.0470.0110.0212.2749.00.0240.0190.0211.1190.0430.0100.0202.14312.60.0230.0210.0221.0490.0370.0100.0J82.026表2流速特征值（淹没深度2.7m）表1下泄水温实测值与数值模拟计算值对比淹没深度/m实测下泄水温/T模拟下

16、泄水温/Y相对误差/%2.723.0922.970.525.417.7618.061.692计算结果分析2.1计算工况针对浮式取水口，分别研究水库水温均一和水温分层时取水口附近流速分布。在库水位及水库水温分布一定条件下，分别对取水流量:一定、不同淹没深度工况和淹没深度一定、不同取水流量工况进行数值模拟。水库水温均一情况是指水温沿水深不变，水库水温分层情况按某水库5月份水温分布（见图4）。具体计算工况：取水流量1.38m'/s一定，淹没深度分别为2.7m、5.4m和9.0m；淹没深度5.4m一定，取水流量分别为0.89m"1.38m/s和2.34m3/s,各工况均包括水温均一和

17、水温分层两种情况。对于水温均一和温度分层的各工况，以浮式取水口中心前1.8m、5.4m、7.2m和12.6m为研究断面，提取各断面的流速分布，各研究断面的位置如图6所示。2.2水温均一和水温分层时取水口前流速分布以取水流量1.38m/s、淹没深度2.7m工况的计算结果为例，选取距浮式取水口中心1.8m、5.4m、9.0m和12.6m的断面流速分布进行比较，各断面流速分布如图7所示，流速特征值如表2所列。水库水温均一时，取水口前各断面最大流速为0.023-0.102m/s,平均值为0.0210.023m/s,流速不均勾系数（最大流速与平均流速之比）为1-0494.335。各断面流速分布主要受牵引

18、力作用，当研究断面到浮式取水口中心距离增加时，牵引力作用影响逐渐减弱，流速最大值和流速不均匀系数逐渐减小,主流逐渐发散至整个竖直断面，断面流速逐渐趋向均匀，未能形成较为明显的主流。水库水温分层时，取水口各过流断面最大流速为0.037-0.095m/s,平均值为0.017-0.021m/s,流速不均匀系数为2.0265.663。各断面流速分布受取水牵引力和浮力共同作用。根据BOUSSINESQ假定，由于整个计算区域中都存在着温度分层形成的密度分层,浮力作用于整个计算区域。由断面流速分布图7可以看出，距离浮式取水口较近的断面受取水牵引力作用影响较大，流速分布不均，与水温均一时情况相似,随着远离浮式

19、取水口距离的增加，牵引力作用影响逐渐减弱，浮力作用相对增强至占据主导作用，库区水体的垂向运动被抑制，取水口附近主流在浮力的作用下被约束至取水口上部，形成靠近水体表面的主流和稳定的流场，随着远离浮式取水口距离的增加，库区水体所受取水牵引力作用逐渐减小，流速不均匀系数亦逐渐减小，直至只受浮力作用影响而趋向稳定。2.3不同淹没深度时取水口前流速分布针对水库水温均一和水温分层情况，研究了取水流量1.38m7s不变、淹没深度变化（分别为2.7m、5.4m和7.2m）工况的取水口附近流速分布变化。水温均一和温度分层时，取水口前1.8m、5.4m、9.0m和12.6m流速分布如图7图9所示，流速不均匀系数如

20、表3所列。取水流量1.38m7s,淹没水深分别为2.7m、5.4m和7.2m时的下泄水温分别为22.38Y、15.40Y和12.05P。取水流量在1.38m3/s时，取水口附近断面水温均一和温度分层的不均匀系数的差值，淹没深度2.7m时为0.9771.328,淹没深度5.4m时为0.5521.217,淹没7.2m时为0.367-0.653o在取水牵引力和浮力断面iO/m-s'1o246802n断面流速/ms，浮式取水口前断面流速分布（淹没深度2.口/5.4m1温魔均一一-水温分层-取水口高程断面流速/mb0.040.080.12(c)7m取水流1.38mvs)断面流速/ms，00.04

21、0.080.12268029.0m(b)温度均一-水温分层-取水口高程断面流速/ms'00.040.080.12断面流速/ms"00.040.080.12浮式取水口前断面流速分布（淹没深度5.4m取水流*1.38m3/s）断面流速/ms，81012断面流速/m-s'浮式取水口前断面流速分布（淹没深度7.2m取水流1.38mvs)O2468021I断面流速/ms"00.040.080.12温度均一一一水温分层-一取水口尚程（d）断面旅速/ms共同作用下，库区水体的垂向流速被抑制。淹没深度增大时，浮式取水口上的有效取水断面增大，主流发距取水口距离/m=2.7mH

22、=5.4m/=7.2m均温5月Ag均温5月均温5月&1.84.3355.6631.3284.2205.4371.2174.0354.6880.6535.41.2312.2741.0431.1521.8390.6871.1341.6350.5019.01.1192.1431.0241.0971.7070.610L1261.4730.34812.61.0492.0260.9771.0671.6200.5521.1041.4710.367表3取水口不同淹没深度不均匀系数散，断面流速分布更加均匀，基本关于取水高程处的轴上下对称。同时,断面流速最大值减小，各断面不均匀系数随着淹没深度的增大逐渐减

23、小，随着到浮式取水口中心距离的增加逐渐增大，水温均一与水温分层的断面流速差变小直至趋于稳定。随着距取水口距离/mQ=1.38m3/s。=2.34m3/sQ=3.16m3/s均温5月均温5月&均温5月1.84.2205.4371.2174.1394.7110.5724.1034.4920.3895.4I.1521.8390.6871.1441.6360.4931.0491.3210.2729.01.0971.7070.6101.0871.4170.3301.0681.2540.18612.61.0671.6200.5521.0651.2780.2141.0511.2260.175表4取水

24、流不同的流速不均匀系数淹没深度的增大，水温均一与水温分层的不均匀系数差值逐渐减小，两者的断面流速分布差距越小。2.4不同取水流时取水口前流速分布针对水库水温均一情况和水温分层情况，研究了取水口淹没深度5.4m断面流速/ms*'断面流速/ms-*不变、取水流量变化（分别为1.38m7s.2.34m7s和3.16mVs）.T况的取水口附近流速分布。在水温均一和温度分层时，取水口前1.8m、5.4m、9.0m和12.6m处流速分布分别如图8、图10和图11所示，流速不均匀系数如表4所列。淹没深度5.4m,取水流量分别为1.38m'/s、2.34m3/s和3.16m3/s时的下泄水温分

25、别为15.19P、16.20X：和16.98勾。取水口淹没深度为5.4m时，取水口附近断面水温均一和温度分层的不均匀系数的差值，取水流量1.38n?/s时为0.5521.217,取水流量2.34m3/s时为0.2140.572,取水流量3.16m3/s时为0.1750.389。在取水牵引力和浮力共同作用下，库区水体的垂断面波速/ms断面流速/m-s-*向流速被抑制。当取水流量较小时，取水范围较小,集中在取水口高程的主流附近。取水流量增大时，取水牵引力的作用增强，“新增水体”的取水区域主要集中在靠近自由水面的上部水体。取水流量增大时,取水牵引力的作用增强，取水范围增大，断面平均流速增大，断面最大

26、流速也增加，但断面最大流速增加的速度小于断面平均流速，流速不均匀系数（最大流速与平均流速之比）减小。各断面不均匀系数随着取水流量的增大逐渐减小，随着到浮式取水口中心距离的增加逐渐减小直至稳定。3结论（1）水库水温均一分布时，随着到浮式取水口中图10浮式取水口前断面流速分布（淹没深度5.4m取水流2.34m3/s）断面流速/mL图11断面流速断面流速/ms*断面流速/ms”（下转第142页）浮式取水口前断面流速分布（淹没深度5.4E取水流*3.16m3/s）裴迎举，等多工况下不同叶片包角的斜流泵水力特性研究佳值。(2) 非设计工况下内部流动的稳定程度差异造成综合水力特性表现与设计工况呈现偏差。泵

27、的水力特性是整个系统的综合因子共同作用的结果，在进行设计和验证过程需综合考虑影响因子的系统化作用。参考文献：1 张人会，郭荣.杨军虎，等.基于CFD的空间导叶内部流场分析及优化设计JJ.排灌机械工程学报，2015,33(9)：762-767.2 张翔，王洋，徐小敏，等.叶片包角对离心泵性能的影响J).农业机械学报，20)0,41(11)：38-42.3 KIMJH,AHNHJ,KIMKY.High-efficiencydesignofamixed-flowpumpJ.ScienceChinatechnologicalsciences,2010,53(1):24-27.【4杨孙圣，孔繁余，陈斌.

28、叶片包角对可逆式泵性能影响的数值研究J.流体机械，2011,39(6)：17-20.5 常书平，王永生，苏永生.若F因素对导叶式混流泵水力性能的影响J.排灌机械工程学报，2012,30(6)：646-676.6杨华，刘超，沥方平，等.不同叶片包角的离心泵试盈与数值模拟J.机械工程学报，2007,43(10)：166-169.7 张德胜，施卫东，王川，等.斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响J.排灌机械工程学报，2012,30(2)：167-170.8 邮浩，铮树良.谭磊，等.混流泵导叶对其性能的影响JJ.排灌机械工.程学报，2012,30(2)；125-130.9 张鹏，王晓静.三角法控制叶

29、片包角提高水菜效率J.节能.2005.32(12)：35-37.10 物军虎，蒋云国，张人会，等.确定离心泵叶片包角的新方法J.兰州理T.大学学报，2010,36(4):48-51.H曹卫东.李跃，张晓娣.低比转速污水泵叶片包角对水力性能的影响J.排海机械，2009,27(6)：363-366.12潺书亭，宋文武，符杰.等.叶片包角对低比转速离心系性能的影响以.水泵技术，2015(5)：13-16.13 王勇，刘厚林，袁寿其.等.不同叶片包角离心泵空化振动和噪声特性JJ.排灌机械工程学报，2013,31(5):390-393.(14 黄茜，袁寿其，张金戚，等.叶片包角对高比转数离心泵性能的影响

30、J.排灌机械工程学报,2016,34(9)：742-747.15】代翠，孔繁余，蜓亮,等.叶片包角对泵作透平水力径向力的影响J.振动与冲击，2015,34(18)：69-72.(责任编辑郭利娜)(上接第137页)心距离的增加，牵引力作用影响逐渐减弱，流速最大值和流速不均匀系数逐渐减小，断面流速趋向均匀。水库水温分层时，在靠近浮式取水口断面，取水牵引力占主导作用，浮力作用较弱，随着远离浮式取水口距离的增加，库区水体所受取水牵引力作用逐渐减小，流速不均匀系数亦逐渐减小，直至只受浮力作用影响而趋向稳定。(2) 淹没深度增大时，取水牵引力基本不变，有效过流断面增大，主流发散，不均匀系数随着淹没深度的增大逐渐减小，下泄水温逐渐减小。当淹没深度较大时，断面流速基本呈现以取水高程处为轴上下对称分布。(3) 取水流量增大时，牵引力的作用范围增大,取水范围也逐渐变大，水温分层和温度均一情况发生改变，各断面平均流速增大，不均匀系数随着取水流量的增大逐渐减小，下泄水温逐渐增加。参考文献：1 黄永坚.水库分层取水M.北京：水利电力出版社