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抽水蓄能电站侧式进出水口设计研究及c f d 模拟 水利水电专业 研究生：张新伟指导老师：涂兴怀 摘要 抽水蓄能电站的进出水口兼顾进流和出流两种工况，还要适应水位变 化频繁、变幅较大的特点，所以水力条件比较复杂，在电站的设计中具有举 足轻重的地位研究合理的进出水口体型在工程中不仅能节约大量的资金， 而且能改善整个输水系统的水力条件，会产生巨大的经济效益和社会效益。 我国在侧式进出口的体型设计中主要是根据国外已建工程的经验及模 型试验来选择体型参数。从已有的研究资料看，国内外关于进出水口体型 的研究主要依赖于水工模型试验。随着计算机的发展，数值模拟得到了广泛 的应用。以往水工建筑物设计基本上以模型试验为依据，不仅费时耗物，而 且受比尺效应的影响，不能完全反映真实的紊流流动情况。相比之下，数值 模拟具有花费少、适应能力强、能提供详细的流场资料、便于方案比较等优 点。人们愈来愈重视运用数值模拟手段预测各种复杂的水流现象及流场的内 部结构，国际上一些享有盛名的研究所也由过去的以模型试验为主要研究手 段转化为以数值模拟为主要研究手段。 本文在总结前入的研究成果的基础上，主要对抽水蓄能电站输水系统中 的侧式进出水口进行了研究和模拟，做的主要工作有： 1 收集了大量的抽水蓄能电站的最新资料，对抽水蓄能电站的现状及发 展、侧式进出口的现状及发展、侧式进出口及竖式进出口的比较等进行 了详细的论述。对侧式进出水口的组成部分进行了分步研究。 2 将抽水蓄能电站侧式进出口概化为模型，利用标准k 一占湍流方程， 对发电工况下侧式进出水口的扩散段、孔口、防涡粱底部的水流流动进行 了二维数值模拟。对不同方案的双向水流进出口的各项水力特性进行了比 较、研究分析，重点是进出口的体型及位置的变化对水流的影响，计算各 种体型下的水头损失系数，初步确定了最优体型。为侧式进出口的优化提 供了可靠、详细的依据。 3 为进一步研究发电工况进流时扩散段、孔口附近的流动特性，以及探 讨发电工况下孔口处反向流速的成因。建立三维数值计算模型，重点对现在 工程上常用的矩形防涡梁和阶梯式防涡粱的进出水口进行了模拟，计算出 了水口损失系数、流速不均匀系数、流道比、动水压强等，通过与模型试验 数据的对比，推荐使用阶梯式防涡梁进出水口。 关键词：抽水蓄能电站侧式进出水口体型优化数值模拟紊流 模型 a b s t r a c t i n l e t o u t l e th a v et h ec h a r a c t e r i s t i co ft w o f l o wd i r e c t i o n si nw a t e rf l o w s y s t e mo fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o na n da l s o n e e dt oa d a p tw a t e rl e v e l v a r i e t ym u l t i f a r i o u s ，al a r g e ra m p l i t u d ec h a r a c t e r i s t i c s ，s o t h ew a t e rp o w e r c o n d i t i o ni sm o lec o m p l i c a t e d h a v eap r o m i n e n tp o s i t i o ni si m p o r t a n ti nt h e d e s i g no ft h ep o w e rs t a t i o n ，t h er e s e a r c hr e a s o n a b l et y p eo ff i g u r ec a n n o to n l y e c o n o m i z eag r e a td e a lo ff u n d s ，b u ta l s oc a r li m p r o v et h ew h o l ew a t e rp o w e r c o n d i t i o nw h i c hl o s ew a t e rs y s t e mi nt h ee n g i n e e r i n gt h ef u l f i l l m e n t ，i tw i l l p r o d u c eh u g ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n d s o c i a lp e r f o r m a n c e t h es i d ei n l e t - o u t l e td e s i g nm a i n l yi se x p e r i e n c ea n dp h y s i c a lm o d e lw h i c h h a sa l r e a d ys e tu pe n g i n e e r i n ga c c o r d i n gt ot h ea b r o a de x p e r i m e n tt oc h o o s et y p e o ff i g u r ep a r a m e t e r s e ef r o mt h er e s e a r c hd a t at h e r eh a sb e e n ，t l l eb o d yt y p e r e s e a r c ho ft h ei n l e t - o u t l e ti sm a i n l yd e p e n do nh y d r a u l i cm o d e la th o m ea n d a b r o a d a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a l c u l a t o r ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a s g o tw i d e l ya p p l i c a t i o n b e f o r ew a t e r w o r kb u i l d i n g sd e s i g nb a s i c a l l yw i t hm o d e l e x p e r i m e n ti sb a s i s ，n o to n l yt i m e c o n s u m i n ga n dw a s t i n g m a t e r i a lr e s o u r c e ，a l s o b es u b je c t e dt os c a l ee f f e c tc a n tc o m p l e t e l yr e f l e c tt r u et u r b u l e n tt of l o wa f l u x i o nc i r c u m s t a n c e c o m p a r i n gw i t hi t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o s ta l i t t l e m o n e y , t h eo r i e n t a t i o na b i l i t yb es t r o n g ，c a np r o v i d et of l o wa d a t ai nd e t a i l ，e a s y t op r o j e c tc o m p a r i s o ne t c t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m p l i c a t e dw a t e rc u r r e n t p h e n o m e n o na n df l o wt h ei n t e m a ls t r u c t u r eo ff i e l dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ， s o m ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hi n s t i t u t ew h i c hp o s s e s sg r e a tr e p u t a t i o nc a r r yo nw i t h m o d e le x p e r i m e n ti nt h ep a s ta n dn o wt a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o na sm a i nr e s e a r c h m e a n s t h ep a p e rm a i n l yc a r r yo nar e s e a r c ha n ds i m u l a t i o nt ow a t e rs u p p l y s y s t e mt ot h ei n l e t - o u t l e to ft h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n ，t h em a i n c o n t e n t s a r ea sf o l l o w s i c o l l e c t i n gal o to ft h el a t e s td a t ao ft h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n , a l s oad e t a i l e dd i s c u s s i o nt ot h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o no nt h ep r e s e n t c o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n t ，i n l e t o u t l e to ft h ep r e s e n tc o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n t ， c o m p a r e dw i t ht h es i d ei n l e t o u t l e ta n dv e r t i c a lp i p ei n l e t o u t l e te t c 。s t u d y i n go n t h ei n g r e d i e n to fs i d ei n l e t - o u t l e t 2 e s t a b l i s h e dt h es i m p l em o d e lo fs i d ei n l e t o u t l e t ，u s i n gt h en o r m a li t - e t h e o r y ，a n a l y s i so fw a t e rf l o wi m p a c to fd i v e r g e n tp o r t i o n ，h o l ee n t r a n c e ，u n d e r v o r t e xp r e c a u t i o nb e a mt og e n e r a t ee l e c t r i c i t y c o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h e e f f e c to fd i f f e r e n tp l a n so ft h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ，c a l c u l a t i n gv a r i o u st y p e o ff i g u r eo fw a t e rh e a dl o s sc o e f f i c i e n t ，d e t e r m i n a t i o no fo p t i m u mb o d yt y p e t h e e m p h a s i sh a sp r o v i d e dr e l i a b l eb a s i st ot h ec h a n g eo ft h ep o s i t i o no ft h ee f f e c t f l o wf o rt h ei n l e t o u t l e to p t i m i z a t i o n 3 i tp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rm o r er e s e a r c ho nd i v e r g e n tp o r t i o na n df l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rg e n e r a t i o nc o n d i t i o n ，s t u d yo nt h ec a u s eo ft h eb a c k v e l o c i t yt ot h eh o l ee n t r a n c e e s t a b l i s h i n gt h e3 dn u m e r i c a lm o d e lo fi n l e t - o u t l e t o u t f l o w ，t h ek e ys i m u l a t i o n so f t h ev o r t e xp r e v e n t i o ns e g m e n ta n dd i v e r g e n t f l o wo ft h et w ok i n d so fb o d yt y p e st h er e c t a n g l ev o r t e xp r e c a u t i o nb e a ma n d l a d d e rv o r t e xp r e v e n t i o nb e a m b a s e do nt h ee x i s t i n gd e s i g no ft h ei n l e t o u t l e t b o d yt y p e ，c a l c u l a t i n gt h eh e a dl o s sc o e f f i c i e n t ，t h eu n e v e nv e l o c i t yc o e f f i c i e n t ， f l o wp r o p o r t i o n ，d y n a m i cw a t e rp r e s s u r eo ft h ei n l e t - o u t l e t t h r o u g hc o m p a r i s o n o ft h em o d e lt e s td a t a ，t h el a d d e rv o r t e xp r e c a u t i o nb e a mi sr e c o m m e n d e d k e yw o r d s ：p u m p e ds t o r a g ep l a n t ，s i d ei n l e t o u t l e t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s h a p e o p t i m i z a t i o n ，t u r b u l e n tm o d e l 西华大学硕士学位论文 声明 本人申明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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 做出了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：碾毒l i 伤口召年岁月w 日 导师签名：乡彳纠弘。擘年j 月如日 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 抽水蓄能电站的建设已有百年历史，从早期的瑞士苏黎世兴建的5 1 5 k w 、 扬程为1 5 3 m 的抽水蓄能电站开始，到六十年代末期进入快速发展。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。抽水蓄 能电站具有许多火电、核电无法取代的优势。作为调峰电源，抽水蓄能电站和 水电站一样，具有启动迅速，运行灵活可靠，能适应系统负荷急剧增长等特点， 还有旋转备用、事故备用、调频、调相等动态效益。造价低也是常规水电站无 法达到的优越性。随着能源的紧缺，今后的重点放在核电的发展，核电站发展 以后，为安全运行，需要建设相应的抽水蓄能电站，因为核电站要求不作频繁 的操作而要求发恒定的出力，同时核电站发电成本低，低谷时利用核电剩余能 量抽水可换取高峰时的调节电力，在经济上有很大好处。抽水蓄能电站，不仅 要看其调峰填谷的静态效益，更主要的是要看其动态效益能快速递增负荷的爬 坡效益能代替火电旋转备用和待机备用的事故、负荷备用效益，能快速调频和 调相增加系统的可靠性和稳定性效益。对抽水蓄能电站的经济评价，要把静态、 动态效益结合起来放到整个电网中去。由于抽水蓄能电站常常利用已建的水库 作为上水库或下水库，可以节约大量的土建工程量，抽水蓄能电站一般靠近负 荷中心，便于输送电能。因此，抽水蓄能电站的单位千瓦投资比常规电站低得 多，其经济效益和社会效益非常明显。 由于抽水蓄能电站的上述优点，抽水蓄能电站发展迅速，到七十年代，一 些工业发达国家由于其工业迅速发展，电力需求大增，且在事故备用、调频、 调相、供电可靠性、供电质量方面提出了更高更严格的要求，而抽水蓄能电站 满足了上述要求。美、日等工业发达国家相继发展了许多抽水蓄能电站。 我国的抽水蓄能电站起步较晚，国外已有一百多年历史，我国建的第一座 抽水蓄能电站是1 9 6 8 年的河北岗南混合式抽水蓄能电站，从二十世纪九十年 堕兰奎兰堡主兰竺丝苎 代开始大规模兴建，到2 0 0 5 年底我国建成投产的抽水蓄能电站有1 3 座。总装 机容量达5 8 4 5 万k w 占全国总发电装机容量1 1 5 。国外许多国家抽水蓄能 电站占全国装机的比重已超过1 0 ，如奥地利达到1 6 ，瑞士达到1 2 0 o ，意大利 达到1 1 ，日本达到1 0 。目前我国在建的抽水蓄能电站有1 1 座，装机容量为 1 2 3 0 万k w ，预计2 0 1 0 年，全国将有1 0 0 0 万k w 左右新的抽水蓄能电站投产， 届时我国抽水蓄能电站总装机容量达到1 6 0 0 万k w 左右，占全国发电装机总 量的2 6 左右。有专家分析，为满足我国电网稳定、经济运行，从我国电源构 成和电网布局来看，我国抽水蓄能电站的比重在5 是较为合适的。 抽水蓄能电站在电力系统的调峰、调频及事故备用等方面发挥的巨大作用 促使世界各国大规模兴建。并向着高水头、大容量和大机组发展。与常规水电 站不同，抽水蓄能电站既发电又抽水，工况转换频繁，这就要求输水系统和机 组在双向水流的情况下都能处于较好的运行状态，以提高电站的综合效率。因 此，抽水蓄能电站面临一系列水力学专门问题，如输水系统非恒定流、调压室 型式与涌浪、进口管的涡漩与水头损失，以及出水口拦污栅震动等。因此，对 于抽水蓄能电站，输水系统的设计和研究是非常重要的。 抽水蓄能电站是利用地形，建设上、下水库，电网电能多余时将下水库的 水抽到上水库储存起来，需要时再放水发电。其耗电量与发电量之比一般在 4 ：3 5 ：4 之间，是一种保持电网稳定、安全运行的有效措施，因为社会生产 和生活规律决定了用电量一天2 4 小时内是不均衡的，电力系统要用调峰手段 来解决这种电力盈缺现象。抽水蓄能电站有以下几个方面的作用：一是削峰填 谷。可以利用低谷时富裕电量抽水，在系统高峰时发电。二是事故备用。抽水 蓄能机组起停迅速，从启动到满负荷只需l 2 分钟，是良好的事故备用电源。 三是可以改善火电、核电运行条件。电网系统必须有一些机组频繁起停运行。 如果建设一定比例的抽水蓄能机组，可以“解放 火电机组，让它们在高效率 区间以稳定的出力运行，对于核电站而言，更需抽水蓄能电站配合改善其运行 条件。四是可以改善水电调节性能。当水电站在汛期被迫弃水调峰时，抽水蓄 能电站可以消耗电网的大量电力以“储藏 ，减少大量的弃水。五是发挥线路 的输电能力。有了蓄能电站，相当于一条高速路变成了两条高速路，用电低谷 2 西华大学砍士掌位论文 时可以满载运行，用电高峰时，蓄能电站依然可以供给高峰负荷。六是可以产 生显著的动态效益。抽水蓄能的动态效益主要体现在承担短负荷、事故备用、 调频、调相、提高系统运行可靠性等方面。 抽水蓄能电站有以下几个部分组成，见图1 1 。 弼们挣 t 求挥 ，。l 鬻，谶蹶羚 盏。基一+ 。一。 整f “拗承“ 琏力蒲邋 魏 寒 蔫缡麓魄、 砖理 、袖戒 。、 f 采摔 ， i ； 厂磷k 爱撬精糍 一i 辘翻孙一 荔智 ， ， 避趣) 农珏 警， z 一，；琶。：。蠢。 怒承留邋 f i g 1 1t h ec o m p o s i t i o no f p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n 图1 1 抽水蓄能电站的组成 在抽水蓄能电站的上、下水库中，进出水口是最重要的组成部分，它具 有双向水流的特性，例如上库在发电时为进水口，则在抽水时变为出水口，下 库反之，故简称进出水口，它的构造与设计和常规电站有以下不同： ( 1 ) 由于水流是双向流动，因此体型轮廓设计要求更为严格。进水时， 要逐渐收缩，出水时要逐渐扩散，全部断面上流速尽量均匀，不发生回流、脱 离，因此，渐变段长度一般较长。 ( 2 ) 由于发电及抽水时均要过水，因此水头损失要求小些，否则整个系 统的总效率将降低。 ( 3 ) 抽水蓄能电站的上水库和下水库，有时是人工填挖而成，为了尽量 减少工程量，要求尽可能利用库容，因此在某些情况下，上水库和下水库的工 作水深较大，而当库位较低时，容易发生吸气漩涡。在设计进出水口时，应 设法避免漩涡。 ( 4 ) 抽水蓄能电站单站容量较大，可能达到5 6 m s ，若出流时，扩散不 3 西华大学硕士学位论文 良，或发生漩涡回流，局部流速可能更高，不仅水头损失增大，甚至会引起拦 污栅震动、破坏、造成事故，这较常规电站发生的多。 ( 5 ) 抽水蓄能电站的上、下水库库容一般不太大，水库冲水时，整个水 库水体发生环流，对水库底部造成冲刷，引起某些不良后果，设计时应避免或 尽量减轻。 现在常用的进出水口有三种基本类型。 最简单的是与底板齐平的喇叭形圆孔，直接与竖直的压力管道连接，这种 结构成为敞开式进出水口。为防止污物落入或被吸入，有时在开口上设有拦 污栅。 一 第二种类型是在敞开的进出水口上修一个顶板，配以曲线过渡段，水流 由四周侧向进出，称为顶板式进出水口，为支撑顶板，必须设置向形的导板， 它们亦起防止漩涡的作用。这两种进出水口统称为井式进出水口。如图1 2 所示。 f i g 1 2t h ep r o f i l ec h a r to f t h ev e r t i c a li n l e t = o u t l e t 图1 2 竖井式进出口剖面图 第三种类型是侧式进出水口。建造在水库岸边，结构比较庞大，后接水 4 西华大学硕士学位论文 平或倾斜的隧洞或压力管道，岸边开挖量较大。许多抽水蓄能电站的引水道是 水平方向进入水库，因此侧式进出水口用的较多，它对引水道的施工有一定 方便之处。侧式进出水口如图1 3 所示。 f i g 1 3t h ep l a n ef i 9 3 a ea n dp r o f i l ec h a r to f t h ef l a n ki n l e t - o u t l e t 图1 3 侧式进出口平、割面图 侧式和井式进出水口在力学设计上的区别在于： ( 1 ) 井式进出水口的下部，一般都有弯道，弯道水流产生离心力，主流向 外侧偏离，因而井的四周流速不均。实验证明，采用渐缩式弯道，可以改善水 流，使各孔过流量均匀。 ( 2 ) 在发电进流时，一般在垂直方向流速分布比较均匀，即进出水口顶部 流速和底流速相差不大。在出流时，孔口的出流属于扩散流动，水流经盖板及 弯道，表面流速与底部流速相差较大，出流的稳定性较差，因此可能冲刷库底， 需在一定范围内做好护底。 当抽水蓄能电站的输水道与上水库垂直连接时，应采用井式进出水口， 其优点是结构紧凑，工程量较小，在岸边的开挖量很小，施工时可以较早的进 西华大学颀士学位论文 行开挖，缺点是进出水口水头损失较大，水流流态难于控制，出流时，由于 竖壁扩散段水流脱壁形成垂向漩涡，扩散段出口处主流由竖向急剧转为横向运 动时水流脱壁形成横向漩涡，导致出口流速处分布不均，底板附近易产生反向 流速，难于消除。在国内采用竖井式进出1 ：3 的很少，现在只有西龙池【5j 和马 山抽水蓄能电站用。 当抽水蓄能电站的输水道与上水库水平连接时，宜采用侧式进出水口， 而下水库一般均采用侧式进出水口。侧式进出水口的工程量较大，但便于施 工，对引水道的施工也有一定方便之处。由于水流从水平方向流入进出水口， 与竖井式相比流向没有发生急剧变化，体型设计得当时，能够得到良好的水流 条件。侧式进出水口在国内外得到普遍采用，因此有必要详细分析其内部水 流流动特点，为优化进出水口体型，保证其具有良好的水流条件提供依据。 1 2 研究的目的和意义 抽水蓄能电站进水口和出水口是合一的，简称进出水口。上库的进出水 口在发电时为进水口，在抽水时为出水口；下库的进出水口在发电时为出水 口，在抽水时为进水口。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，由于进出水口的水力学问题十分复杂，进流时易产生漩涡，这样不 仅会降低过流能力，还可能产生噪声、气蚀和振动等危害；出流时如果水流过 分集中，容易产生流动分离和反向流速，引起拦污栅的振动和破坏，甚至发生 事故。进出水口设计的好坏，不仅关系到工程的造价，而且更为重要的是， 直接影响整个电站的运行性能、安全和效益。 模型试验作为验证和优化进出水口设计的主要手段，可在各种运行工况下 详细的观测其流速分布、流量分配、水头损失、进口入流漩涡等。在这方面的 模型试验技术已经成熟，但其成本高，所需周期也较长。进出水口的内部流 态水力特性的测量有许多困难。同时由于比例效应、模型相似率、原模型换算 等问题，并不能保证相似模型是合理可靠的。 数值模拟计算所需投入的成本低、时间短，而且比较全面的得到整个场 中各个位置的水力特性的分布和随时间变化情况，克服了物理模型试验测量数 6 西华大学硕士学位论文 据方面面临的各种各样的限制。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 d d y n a m i c s ，简称c f d ) 和计算机科学的发展，普通的微型计算机已经可以用来 对具有复杂边界的实际工程中的许多流体力学问题进行大范围的数值模拟，采 用c f d 技术与模型试验技术相结合，具有消耗少，时间短，省人力、物力等 特点，便于优化设计，比试验研究更自由，更灵活，还能够对实验难以测量的 数据做出估计，以及具有很好的重复性和逼真性等优点，条件易于控制，可以 不断改进，模拟计算，再改进，再模拟计算。考虑到数值模拟的众多特点和优 点，对于大型的水利工程的流态分析，在进行实验研究较为困难的情况下，可 以对进出口内部的湍流流场、压力场、速度场等规律进行较为深入的研究， 通过进行数值模拟，选择合理的进出水口体型，对于延长建筑物寿命和提高 经济效益，促进国民经济的发展有着极其重要的意义。 1 3 进出水口研究现状 常见的抽水蓄能电站进出口有侧式和井式两种，侧式较多。国内外7 8 个 抽水蓄能电站进出口统计资料表明，侧式进出水口共有5 7 个，占7 3 ，竖井 式进出水口2 1 个，占2 7 。竖井式进出水口在美国采用的较多，而我国只有 马山、碧敬寺和西龙池抽水蓄能电站采用了竖井式进出水口，而大部分采用 的是侧式进出水口。目前对侧式进出水口的研究主要采用物理模型试验，由 于进出水口的水力问题十分复杂，故对侧式进出口的研究也很多，侧式进 出水口在流体力学研究领域中统称为渐扩管，目前已建成的十三陵、广蓄、天 荒坪、宜兴等都采用侧式进出水口。 总的来说对抽水蓄能电站进出水口的流态数值模拟目前不是太多，河海 大学、天津大学、浙江大学、南京水科院等在抽水蓄能电站进出口的研究比 较成熟，在物理模型和模拟试验方面都取得了很好的成果，也已经应用到工程 中。天津大学的高学平等1 1 2j 人对西龙池上库进出水1 ：3 进行的数值模拟，与试验 结果比较吻合，但没有涉及到防涡梁对整个进出水口的影响。章军军等1 3 8 j 结 合物理模型对竖井式进出水1 3 的体型根据防涡梁的布置进行了优化，程伟平 等1 2 8 j 人将抽水蓄能电站竖井式进出水口概化为轴对称模型，采用雷诺应力模 7 两华大学顸士学位论文 型( r s m ) 并用v o f 方法处理自由液面对其水流流动特性进行了数值模拟， 表明轴对称模型接近三维模型的模拟精度，有助于设计阶段体型的优化。赵 毅山等川应用混合有限分析法与交错网格，模拟了污水泵站高位井的平面定常 和非定常流场，数值模拟流态与实测数据基本吻合。高秋生1 3 0j 采用三维标准 g - 一占紊流模型对典型的正向扩散泵站前池进行了数值模拟，解决了既有自由 水面又有有压水流的流动计算问题，提供了完整的三维空间流场。 1 4 主要研究内容、途径及技术路线 水流精细模拟研究的主要任务是解决水流的数值计算方法问题。通过数十 年的研究，水流精细模拟在理论模型、数值方法、前后处理等方面均已发展到 相当的水平。目前在水流模拟中占主导地位的数值计算方法是紊流数值模拟， 包括以紊流模式理论为基础的各种紊流数学模型，以及紊流的大涡模型等所谓 的紊流高级模拟技术，此外也包括其它各种水力学计算方法。水利水电中涉及 的水流现象几乎都是紊流，为了确定水工建筑物的合理布置、掌握坝下流的流 态、分析河床的冲刷、研究输水系统的运行效率、坝下流的消能防冲措施，需 对紊流进行专门研究i l j o 1 抽水蓄能电站进出水口过流部分几何物理模型的建立 根据所收集的资料和泰安抽水蓄能电站进出口的几何尺寸，利用u g 软 件建立进出水口过流部分的几何物理模型，再导入g a m b i t 软件中，生成具 有d b s 格式的三维图，然后用g a m b i t 软件的网格划分功能，对二维和三维几 何物理模型进行网格划分，生成具有m s h 格式的网格图。 2 建立和分析二维和三维的湍流模型 研究二维和三维在液体状态下的湍流的数值计算，尤其是对防涡梁的不同 构造而对水流损失的影响、漩涡的消除、水流的均匀等，通过优化比较，选用 防涡梁湍流计算效果较好的数学模型。模型确定后将g a m b l e 生成的m s h 格 式的网格图输出到f l u e n t 软件的模拟计算环境中，选定湍流模型、定义边界、 初始条件和材料物性等参数，进行模拟计算。 3 进出口过流部分数值模拟和分析 8 西华人学硕士学位论文 考虑到湍流模型的选择对进出水口各种工况流场计算影响较大，用f l u e n t 软件，利用r g 湍流方程对侧式进出水口内部流动情况进行了数值模拟，计 算了在防涡梁不同构造的情况下进出水口的湍流运动情况，根据不同工况下 速度场和压力场分布的计算结果，比较了防涡梁的不同构造对流场特性的影 响，分析流量、速度、压力、水头损失等流动参数在进出水口内的分布规律 及其相互影响，优化了进出水口的体型，为抽水蓄能电站的的运行性能和效 益提供了保证。 针对抽水蓄能电站侧式进出水口体型布置受过流量限制，我国目前在设 计中一般取口部平均流速小于1 0 m s 为设计指标，本文根据泰安抽水蓄能电 站的在发电时的流量和过水面积，确定了进水流速为o 4 7m s ，如过流量较大 则需加大进出水口的体积，增加了工程设计的难度。对侧式进出水口的体型 设计还须兼顾进出流两种情况。水流运动的双向性要求：( 1 ) 出流时进出水 口出流处( 拦污栅前) 流速分布较均匀，水头损失小：( 2 ) 出流时在各级水位 下均不出现有害的漩涡运动特别是吸气漩涡：( 3 ) 各级水位下，进出水口水 头损失小。在上述基本水流条件下，进出水口内外均处于缓流流态，内外流 态会相互干扰，因此进出水口上、下游的合理衔接也是需要考虑的。进出水 口工程布置主要包括：尾水隧洞、过渡段、门井段、扩散段体型( 长度、平面 与立面扩散角的大小) 、分流墩布置、防涡措施及尾水明渠体型等项内容。本 文主要针对不同防涡梁的体型设计，通过二维、三维模拟，对流速分布、水头 损失、压力分布等进行了重点模拟，得出了阶梯式防涡梁进出水口为最优体 型的结论。 9 西华大学硕士学位论文 第二章侧式进出口的设计研究 抽水蓄能电站进出水口是电站上、下水库连接电站机组引水系统和尾水 系统的重要建筑物。抽水蓄能电站的进出口主要包括有防涡梁消涡结构、扩 散段结构、整流段结构，为了使扩散段内水流分布均匀、减小阻力系数，扩散 段内一般布置成两隔墙三孔道或三隔墙四孔道的结构型式，而防涡梁的设计直 接影响着扩散段的水流和漩涡的发生。侧式进出水口的基本形式，与常规水 电站进、出水口不同，具有双向水流运行功能，其水力学问题十分复杂。下面 从进出口的组成分别研究。 2 1 进出口的漩涡理论和防涡梁研究 2 1 1 漩涡理论的研究 抽水蓄能电站的进出水口多采用侧式进出水口，由于水库较小，为了充 分利用水库容积，水库的工作深度大，死库容小，所以即使进水口放在较低的 位置有时也难以获得足够的淹没深度：而且由于经济上的原因，其进水口流速 一般比较大，这些特点都导致了抽水蓄能电站进出水口时常会出现漩涡，比 较严重时会出现吸气漩涡。影响进出水口性能的主要因素是进出水口水流中 的漩涡。进出水口的漩涡有两种：立轴漩涡及横轴漩涡，立轴漩涡更容易造 成进气。决定漩涡形成的主要因素有：水流行进速度的大小，行进流速分布是 否均匀、对称，有无环流，淹没深度的大小，进出水口本身的轮廓尺寸及结 构形式。设s 为进水口中心线以上的最小淹没水深，d 为闸口处的孔口高度， 则相对淹没水深s c l 是主要因素。根据实际产生吸取漩涡的s 屉范围是：对于 垂直漩涡j d 3 5 ，对于水平漩涡j 似 2 。因此高水位时问题不大，在低水 位时就应该注意。夹气漩涡主要能够引起两类工程问题，一是对水力机械的运 行带来影响，二是在封闭的有压输水系统中引起危险的液压气动问题。这样不 仅影响其效率，而且导致叶片上具有不平衡的压力分布，引起机组的磨损。为 了充分利用库容，其水库水位变幅高达十多米，死库容小，难以获得足够的淹 l o 西华人学硕士学位论文 没深度，必须采用防涡梁、板等结构来消除吸气漩涡和拦污栅结构的震动。在 进行进水口的设计时，必须确定其在自由水面下的最小淹没深度，以保证边界 上不出现负压，尽可能减少自由水面的漩涡以及避免夹气漩涡。而漩涡的形成 不仅减小泄洪能力，降低发电效率，形成气囊，恶化洞身流态，增大洞身脉动 压力，而且使水力机械效率降低。d e n n y 的研究指出，对离心泵而言，当漩涡 吸气量为1 ( 按体积计) ，离心泵的效率就减小1 5 ，还有可能产生噪声、气 蚀和振动等危害。 漩涡形成的主要条件有：进出口淹没深度、入流流速、进水口环流、进 水口体型和周边几何形状。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和表面波浪。建设比较早的广 州抽水蓄能电站和惠州抽水蓄能电站进出水口在无防涡梁的入流运行模型试 验中，进水口水面出现较明显凹陷的漏斗状漩涡，在工程实际运行时很容易产 生有害的吸气漩涡，对于漩涡的研究非常重要。 根据文献1 5 2j 中所述，水电站进水口前的漩涡可如下分类： ( 1 ) 不吸气漩涡( 凹陷漩涡) 这种漩涡通常在流速较小时发生，强度较小，仅在水面形成一个凹陷，水 面有明显的转动，没有吸气现象，如图2 1 所示。 ( 2 ) 间歇吸气漩涡 在一定的来流和水位下，水面形成了一种间歇吸气漩涡，进一步的观察表 明，间歇吸气漩涡又可分为两种形态：a 间歇的吸入大量气泡，这种漩涡仅在 水流表面发生强烈的紊动，产生较强的波浪现象，几乎没有噪音，振动也不剧 烈；b 间歇的贯通吸气，这种漩涡能产生强烈的噪音和振动，并且贯通时导致 进水孔过流能力的减小，如图2 1 所示。 西华人学硕士学位论文 ( a ) 不暖气菠讽协) 闯教吸气教溺( c ) 持续啜气漩溺 f i g 2 1t h ec l a s s i f yo f t h es p i r a lv o r t e x 图2 1 漩涡的分类 ( 3 ) 持续吸气漩涡 这种漩涡自始至终吸入空气，发生强烈的噪音，诱发建筑物振动，由于吸 入大量的空气，导致泄流能力减小，在实际工程中，此类漩涡的危害最大。在 实际工程应重点研究。 目前水利工程中对于各种进水口估计不发生吸气漩涡的淹没深度都采用经 验公式。前苏联水力学计算手册推荐的公式为： 三：( 1 6 3 2 1 9 协，乃：当 ( 2 1 ) d 。 4 9 d 式中：乃一进水口佛汝德数；s 一进水口顶部以上水深；d 一进水口咽部直径。 ( 1 ) 加尔多( g a r d o ) 1 8 j 根据2 9 个水电站进水口原型观测资料分析结果 认为，在一定的边界条件下，漩涡的形成与进口的流速、尺寸和淹没深度有关， 即与佛汝德数有关，建议无漩涡的临界淹没深度s 。，按下式确定： s ，= c v 4 a ( 2 2 ) 式中d _ 闸门处的孔口高度，( 进水口淹没深度示意图) v 一闸门处引水道的流速： c - 系数，对称进水时取o 5 5 ，不对称进水时取o 7 3 。 1 2 两华人学硕l 学位论文 v 屯 f i g 2 2t h es c h e m a t i cp l a no f t h ei n l e ts u b m e r s i o n 图2 2 进口淹没深度示意图 ( 2 ) p e n n i n o 针对抽水蓄能电站进出水口( 侧式与井式) 提出不出现漩涡的 进出水口都满足以下条件： 争o 5 ( 淹没条件) f r ：兰 0 2 3( 2 3 )= ； ( 2 3 ) 0g s 式中：s 一从进出水口中心线算起的淹没水深 v 进出水口平均流速。 简化上式得到吸气漩涡的临界条件为： 量：0 5 月 厅专她2 3 捱 但4 ， 由上式解得f r = 0 1 6 ，我国已建的抽水蓄能电站侧式进出水口的乃在 0 0 8 到o 0 9 之间，甚至更小，均满足条件。这是由于我国目前己建抽水蓄能 电站进出水口一般控制流速小于1 0 m s ，进流时f r 均可满足p e n n i n o 条件。 2 1 2 防涡梁的作用 消除漩涡的方式有许多，对于不同形式的漩涡，其消涡方法也有不同，可 ， 两华人学坝j j 学位论义 以对进出水口及胸墙的形式进行优化，改善运行方式，还可以修筑专门的结 构物来消除进出水口的漩涡，主要有如下几种： ( 1 ) 优化进出口设计 漩涡产生的水力因素由进出水口的淹没深度以及进出水口流速，因此合 理设计进出水口能有效地防止漩涡的产生，尤其是吸气漩涡的产生。为了加 大淹没深度，在一定的库水位情况下，必须降低进出水口的底板高程，这样 会导致工程造价的增加。因此，合理的进出水口形式需要通过经济比较选取。 ( 2 ) 改善运行方式 降低闸门的门孔，使其在相同的流量情况下，增加淹没深度，减小进出 水口的流速，消弱水流的紊动，克服水面漩涡，尽量在高水位工况下运行，以 保证进出水口前有一定的淹没深度。， ( 3 ) 改善进流情况 改变进水建筑物的位置、体型，使行进流速均匀对称，可以减轻或消除环 流。渠宽比孔口尺寸不宜过大，渠道两侧边坡宜陡些，以减少可能产生环流的 空间。沿进流方向，断面宜稍微收缩，使水流逐步加速，这是较为有利的。在 井式进水口，也有设置环流墙的办法。 ( 4 ) 设置防涡梁 对于侧式进出水口，在进水口上方3 0 。角的范围内常是漩涡发生区，见 图2 3 ，抽水蓄能电站进出水口防涡工程结构采用在进出水口的上方设置防 涡梁切断旋涡的流心，阻止其发展，使漩涡失去存在的边界条件，达到防涡和 消涡的目的。 1 4 西华大学硕士学位论文 f i g 2 3t h e0 c a 卫1 1 既k 宅r a n g eo f v o r t e x 图2 3 漩涡发生范围 在孔口处的上方设置固定的防涡梁，梁距要适中，太窄则漩涡会转至粱的 前方，太宽则漩涡仍会进入水道。防涡梁的布置形式主要有以下几种 a 水平布置防涡梁 适合于工作水深变幅较大的进水口防涡，布置越靠近水面，防涡和消涡效 果越好。通常布置在最低水位之下，适宜进水口流速小于1 o m s 。 b 阶梯布置防涡梁 第一根防涡梁布置在进水口上方3 0 。线与最低水位的交汇处，防涡梁顶高 程需高出最低水位1 o m ，梁底高程低于最低水位2 o i n 。此梁的作用能有效地 防止进水口边墩产生绕流漩涡。 c v 型防涡梁 当进水口速度超过2 o m s 时，采用v 型防涡梁，原因是进水口流速过大， 所产生的漩涡强度也较大，漩涡遇到防涡梁阻隔，而反方向延展。此时，漩涡 发生区为对称，反方向3 0 。的范围，建议使用v 型防涡梁。 侧式进出口的防涡措施多采用防涡梁法( 见图2 3 ) ，这是一个比较成熟 和实用的方法。其原理是用若干个等间距的梁来切断进水口前沿易产生漩涡的 环流，降低该区域水体的环流强度。下表是几个典型工程的防涡梁体型参考见 表