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抽水蓄能电站发电工况下侧式进/出水口水流特性及体型优化河海大学抽水蓄能技术课程论文课程论文题目:抽水蓄能电站水库发电工况下侧式进/出水口水流特性研究及体型优化姓名:学号:学院:专业:年级:指导教师:抽水蓄能电站水库发电工况下侧式进/出水口水流特性研究及体型优化摘要:本文在总结前人研究成果的基础上,收集抽水蓄能电站侧式进出水口的研究现状及发展,将抽水蓄能电站侧式进出水口概化为模型,利用标准κ-ε湍流方程,对发电工况下侧式进出水口的扩散段、孔口、防涡梁底部的水流流动进行二维数值模拟,对不同方案的双向水流进/出水口进出水口的各项水力特性进行研究,进出水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,初步确定最优体型。为侧式进/出水口的体型优化提供可靠、详细的依据。关键词:抽水蓄能电站侧式进/出水口数值模拟体型优化StudyontheHydraulicCharacteristicsandShapeoptimizationForSideInlet-outletofPumpedstoragepowerstationsinelectricitygenerating
processAbstract:inthispaper,onthebasisofsummarizingthepredecessor’researchresults,collectingalotofsideinlet-outletofthepumpedstoragepowerstationonthepresentonthepresentconditionanddevelopment,establishedthemodelofsideinlet-outlet,usingthenormalκ-εtheory,analysisofwaterflowimpactofdivergentportion,holeentrance,undervortexprecautionbeamtogenerateelectricity,analysisofeffectofdifferentplantsofthehydrauliccharacteristics,calculatingvarioustypeoffigureofwaterheadlosscoefficient,determinationofoptimumbodytype.Theemphasishasprovidedreliablebasistothechangeofthepositionoftheeffectflowfortheinlet-outletoptimization.Keywords:pumpedstorageplant;sideinlet-outlet;numericalsimulation;shapeoptimization引言抽水蓄能是多种蓄能方式之一,其技术最成熟、应用最广泛和效益最高,自1909年首座抽水蓄能电站在瑞士诞生,经过一个世纪的发展,取得了卓越的成绩ADDINNE.Ref.{4FF279CA-B182-47BD-8E55-F2B81CC3BE53}[1-3]。抽水蓄能电站最初概念是将火电站非峰荷时的低价电能转化为峰荷时的高价电能ADDINNE.Ref.{22C2AF5E-FFFC-4A16-BDC0-EE7651216E3E}[4],随着抽水蓄能电站的发展,目前所谓的抽水蓄能电站就是利用低谷时电力,将下库水抽到上库蓄能,待电网高峰期负荷时,放水回到下库发电的水电站,如图1所示。在许多电网中因峰谷差扩大和多种经济原因,迫切要求调峰电源,抽水蓄能电站既是良好的调峰电源又具有电网调度上的高度灵活性。图SEQ图\*ARABIC1抽水蓄能电站你输水系统剖面示意图近年来,由于电力需求不断增长,同时电力系统的调峰填谷的需求也越来越大,因此很需要建设调峰填谷和动态效益好的抽水蓄能电站。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,抽水蓄能电站进水口和出水口是合一的,对于下库来说,发电时为出水口,抽水时为进水口,它具有双向水流的特性,水流流态复杂,进出水口的体型对进/出水口的水力特性具有较大影响,其设计的好坏直接影响整个电站的运行性能和效益ADDINNE.Ref.{D166073D-47CA-4CCA-B2AC-3252D09F5FFF}[5]。根据其进出水口的形式,抽水蓄能电站可分为侧式和竖井式的两种,如图2。侧式进出水口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ADDINNE.Ref.{80FB3E1A-AB7C-499E-8642-C0B01412B218}[6],竖井式较少,因此有必要详细分析侧式进出水口内部的水力特性。一直以来,对抽水蓄能电站进出水口的研究主要是用物理模型试验的方法ADDINNE.Ref.{6A4AFBA6-B6DE-4975-B5F3-BB8AFDBD1AF6}[7],但随着计算机技术的发展,数值模拟以其独有的优点,逐渐得到广泛的应用。蔡付林ADDINNE.Ref.{FE5FB116-9544-4F5A-9572-C6D538BADAF1}[8]等人对侧式进出水口的分流墩通过水力试验进行了研究,认为水力性能与分流墩的形状、位置关系密切;张从联ADDINNE.Ref.{9B698458-979C-460D-A890-62E011C5BC01}[9]等人对惠州抽水蓄能电站上库侧式进出水口进行了水力模型试验;黄智敏ADDINNE.Ref.{FBAD028B-F0D2-4899-8CF8-BDDDDC61E549}[10]等人对广州抽水蓄能电站下库进出水口进行水力试验;章军军ADDINNE.Ref.{80DFC058-F32C-4F20-8BBD-D51E40F0673F}[11]等应用三维数值模拟对某抽水蓄能电站原设计体型采用RNGκ-ε湍流模型研究,并成功进行优化;C.Forke[12]和K.Rettemeier,G.DemnyADDINNE.Ref.{31A38F96-2877-4D02-B9B1-9A4D52972071}[13,14]等运用大漩涡模拟方法分别对Bakun和Wintrich水电站进水口流场进行了模拟,结果与实验吻合很好;C.Y.WeiADDINNE.Ref.{0687A36E-1565-41F3-89AA-7009030EA9C1}[15]等对抽水蓄能电站进出水渠抽水工况进流和发电工况出流进行了数值仿真,试验中其模拟计算出的结果与试验中观察的结果吻合;姜成海ADDINNE.Ref.{2ED38C0B-5417-4AF8-96B0-9D98A8D1B1D8}[16]等人对浙江仙居抽水蓄能电站下库进出水口及泄放洞布置方案进行了不同工况试验研究,分析水力特性,并提出优化方案;郭雪ADDINNE.Ref.{44CA060C-7BC4-489F-88E0-03F52D0AADDC}[17]对张河湾抽水蓄能电站上、下库进出水口布置和体型设计进行优化。本文主要通过收集大量的抽水蓄能电站的资料,利用标准κ-ε湍流方程ADDINNE.Ref.{99FAD81D-CB65-43D5-B599-67042CCCD629}[18],对发电工况下侧式进出水口的扩散段、孔口、防涡梁底部的水流流动进行二维数值模拟,研究进出水口体型的各部分对孔口附近的水力特性的影响ADDINNE.Ref.{FC0E15E4-507D-4BD5-8531-87AB91CF3D22}[19],为侧式进出水口的体型优化提供可靠、详细的依据。图SEQ图\*ARABIC2侧式进/出水口平面及剖面图紊流运动的基本理论流体流动要受物理守恒定律支配,基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含不同组分的混合或相互作用,系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态,系统还要遵守附加的湍流运输方程。湍流是自然界非常普遍的流动类型,湍流运动的特征是在运动过程中液体质点具有不断的互相混掺的现象,速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动值。式3-9是三维瞬态Navier-Stokes方程[20],无论对层流还是湍流都是适用的。但对于湍流,如果直接求解三维瞬态的控制方程。需要采用对计算机内存和速度要求很高的直接模拟方法,但目前还不可能在实际工程中采用此方法。工程中广为采用的方法是对瞬态Navier-Stokes方程做时间平均处理的,同时补充反应湍流特性的其他方程,如湍动能方程和湍流耗散率方程[21]等。这些附加的方程也可以纳入此形式中,采用同一程序代码在求解。三维水动力数学模型是水体流动过程的完整描述,主要控制方程中的连续方程为:∂u水的动量守恒方程,也称作Navier-Stokes方程[20]或运动方程为:∂=∂=∂=紊流模型采用κ-ε模型,κ-ε模型计算精度高,数值稳定性好,计算量适中,比较适合于侧式进出水口的计算[22,23],该模型模型的基本方程如下:v∂k∂εG=式中,u、v、w分别为x、y、z方向流速;vt、vh分别为水平方向和垂向紊动粘性系数;ρ为密度;p为压强;fx、fy、fz分别为x、y、z方向的体积力分量;k为紊动动能;ε为紊动动能耗散率;δk、δc分别为紊动施密特数和耗散施密特数;c侧式进出水口数值模拟计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验,在科学研究和工程技术产生巨大的影响。自1981年以来,出现了如Fluent,CFX,Phoenics,Star-CD,Fidip等许多商用CFD软件。Fluent是目前功能最全面、适用性最广、国内适用最广泛的CFD软件之一[24-26]。Fluent提供非常灵活的网络特性,让用户可以适用非结构网络,包括三角形、四边形、六边形、金字塔网络来解决具有复杂外形的流动,甚至可以混合型非结构网络,允许用户根据具体情况进行修改。Fluent可用于二维、三维流动分析,它的紊流模型包括κ-ε模型、Reynolds应力模型、LES模型、标准壁面函数、双层近壁面模型等。其提供的边界条件包括多种,如流动进口及出口边界条件、壁面边界条件等,可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量输入,所有边界条件均可随空间和时间变化。工程概况泰安抽水蓄能水电站ADDINNE.Ref.{96BB6E20-C23A-4129-A865-87E2E22A0883}[22]位于山东省泰安市西郊的泰山西南山麓,为1d调节抽水蓄能电站,上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面开关站等建筑物组成,电站装有4台单机容量250MW的单机立轴混流可逆式水泵水轮机组,总装机容量为1000MW。电站在山东电网中主要担负调峰、填谷作用,并兼有调频调相和紧急事故备用等功能,电站建成后,以二回220KW出线接入山东省电网。电站输水道系统布置于横岭南坡东北向山梁及山前丘陵区内,引水系统采用2洞4机布置。引水主管直径为8.0m,引水支管直径4.8m;尾水主管直径8.5m,尾水支管直径为6.0m;发电工况额定单机发电流量为132.2m3s,最小扬程单机抽水流量上水库基本资料如下:水位:正常蓄水位410.00m;死水位386.00m;最大工作水深24.1m。库容:死库容207.00万m3调节库容890.00万m3总库容1147万流量:发电工况,单个进出水口额定流量为264.4m3s。抽水工况,最大流量为224.6泰安抽水蓄能电站上水库主要有以下部分组成:闸门塔、调整段、扩散段、拦污栅段、前池、明渠、闸门塔检修平台、拦污栅检修平台交通桥、公路平台等组成。单个下库进出水口孔净宽24m,加上三个中墩,2个边墩,墩宽均为1.5m,则单个进出水口宽度为31.5m。平面图如下:图SEQ图\*ARABIC3上水库进出水口总平面布置图图SEQ图\*ARABIC4侧式进出水口平面图图SEQ图\*ARABIC5侧式进出水口原体型剖面图进出水口体型的二维模拟本文采用SIMPLE算法,SIMPLE算法是求解压力耦合方程组的半稳式方法。基本算法是:对于给定的压力场(它可以假定的值,或是上一次迭代计算所得的结果),求解离散形式的动量方程,得到速度场。因为压力场是假定的或不精确的,这样,由此得到的速度场一般不满足连续方程,因此,必须对给定的压力场进行修正,修正的基本原则是:与修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程,根据这一原则,我们把动量方程的;离散形式所规定的压力与速度的关系带入连续方程的离散形式从而得到压力修正方程,由压力修正方程得出压力修正值。接着根据修正后的压力场,求的新的速度场。然后检查速度场是否收敛,若不收敛,用修正后的压力场作为给定的压力场,开始下一层次的计算,如此反复,直到获得收敛解ADDINNE.Ref.{14C20CE7-E646-401F-B780-A7BF4F11702B}[6]。根据泰安抽水蓄能电站上水库的平面图和剖面图,用CAD画出的图形输出为ACIS的文件格式,然后将模型导入GAMBIT。用GAMBIT软件对进出水口内部的过流部分网格化,采用结构性网格,网格大小为0.1~0.4m。网格划分以后,将其输出成msh格式的文件,输入到Fluent中,然后定义参数求解。无防涡梁体型时的二维模拟发电工况下,无防涡梁体型下的流态图6、7。水流从防涡段均匀流入,流入后,在扩散段顶部为回流区,存在较大的回流。底部速度较大,存在较大的冲刷。图SEQ图\*ARABIC6进出水口二维速度矢量图图SEQ图\*ARABIC7进出水口压力分布图2.矩形防涡梁体型二维模拟发电工况下,矩形防涡梁的流场如图8、9所示,防涡梁ADDINNE.Ref.{0273007E-B7B5-442E-BDCA-D568C4299817}[27]下和闸门口的流速分布比较均匀,由于防涡梁和闸门口高度不一致,可以明显看出主流发生转向,在扩散段的顶部有回流区,底部速度较大,但形成均匀的流束,然后与主流混合,底板部分的水流方向向上,与主流方向不一致,将增加水流阻力。地板部分水流平顺,与主流方向基本一致,但防涡梁的布置方式与主流方向不一致,部分流量从梁间穿过,引起梁下流态相对复杂,主流空间受到压缩。图SEQ图\*ARABIC8进出水口的二维速度矢量图图SEQ图\*ARABIC9进出水口压力分布等值线云图3.防涡板式防涡梁体型二维模拟发电工况下,防涡板式体型下的流态见图10、11所示。受防涡板影响,板底有低速回流区,增加了水流阻力,但不影响主流方向,水流从进水口进入流速比较均匀,扩散段顶部有小的回流区。图SEQ图\*ARABIC10进出水口二维速度矢量图图SEQ图\*ARABIC11进出水口压力分布等值线云图4.阶梯式防涡梁体型时的二维模拟发电工况下,阶梯防涡梁体型计算流场见图12-14,防涡梁底部和扩散段内部的流速分布比较均匀,梁的布置方式与水流方向一致。正常蓄水位时,水流从梁间穿入,然后与主流混合,穿梁进入水流经转向后与主流方向掺混,整体比较平顺,扩散段基本没有回流。图SEQ图\*ARABIC12进出水口二维速度矢量图图SEQ图\*ARABIC13防涡梁附近速度矢量分布图SEQ图\*ARABIC14进出水口压力分布等值线云图5.圆形防涡梁体型的二维模拟发电工况下,防涡板式体型下的流态见图15-17。由于圆形防涡梁的流速较小,流态变化不大。受防涡梁的影响,防涡梁底部有低流速区,压缩了主流空间。扩散段顶部有较大的回流区,增加了水流阻力。图SEQ图\*ARABIC15进出水口二维速度矢量图图SEQ图\*ARABIC16防涡梁附近速度矢量分布图SEQ图\*ARABIC17进出水口压力分布等值线云图二维模拟结果分析水流的流态分析从水力学角度出发,电站的进出水口都力求出流平顺,流速分布均匀。但是由于抽水蓄能电站的进水口同时也为出水口,给进出流的流速分布和流量分配提了更高的要求。从拦污栅的安全运行角度出发,《水利水电工程进/出水口设计规范》(SL285-2003)规定,抽水蓄能电站进/出水口过拦污栅流速宜为0.8~1.0m/s,过栅流速分布不均匀系数不宜大于1.5ADDINNE.Ref.{B779CABF-ED48-4D38-893B-8AB0C9320910}[28]。进出水口流速分布不均匀系数定义断面的流速不均匀系数α定义如下:α=式中,Vmax为断面最大流速(m/s),V为断面平均流速(m/s)流速不均匀系数的计算如下表表SEQ表\*ARABIC1各流道流速不均匀系数计算结果无防涡梁圆形防涡梁矩形防涡梁阶梯形防涡梁防涡板防涡梁2-2断面1.141.541.121.241.421-1断面1.261.261.431.231.13由二维的模拟结果可知,无防涡梁和阶梯式防涡梁的流速不均匀系数比较稳定,均小于规定给的1.5,并且小于试验时的最大不均匀系数1.33,说明流道流速稳定,主流上下摆动现象较小。水头损失分析进出水口的水头损失主要是局部水头损失,水头损失的大小直接关系到电站的经济效益,其水头损失的大小是衡量进出水口水流条件优劣的重要指标。进出水口的水头损失取决于进出水流状况,主要有扩散冲击、局部分离和局部冲击,其影响参数主要有顶板扩散角、扩散度、来流条件及下游淹没等因素;在有分流墩隔墙构成多通道的情况下,各通道流量分配的均匀程度是影响进出水口水头损失更为重要的因素。一般情况下进出水口在入流时水头损失较小,水头损失系数一般在0.2~0.3之间变化;在出流情况下,水头损失系数较大,水头损失系数约在0.3~0.6ADDINNE.Ref.{F1B3C572-2F06-4399-AED3-3B7705E93856}[29]。表2为一些抽水蓄能电站的水头损失系数[30]。表SEQ表\*ARABIC2一些抽水蓄能电站的水头损失系数电站名称进出水口类型进流出流广州侧式0.190.39惠州侧式0.340.39天荒坪侧式0.250.33宜兴(上库)侧式0.190.48宜兴(下库)侧式0.140.46沙河侧式0.180.42十三陵(上库)侧式0.210.35十三陵(下库)侧式0.220.33戴维斯(美国)侧式0.300.80斯洛维克(英国)侧式0.230.45扎戈尔斯基(苏联)侧式0.160.54碧敬寺竖井式0.300.75进出水口水头损失包括进出水口和渐变段,即水流自渐变段始端至上库水面的总水头损失。水流在流动过程中,遭到局部破坏,流体发生剧烈的紊动、脱离管壁形成涡流和绕过障碍物等现象,是流体的动量交换加剧,增加了能量损失。流体由有压流动到无压流动的过程时动压损失也属局部水头损失现象。断面2-2和1-1之间的能量方程为:H根据液体流动的连续方程:v根据伯努利方程,发电和抽水两种工况下,进出水口的水头损失系数按如下公式计算:发电工况进出水口水头损失:hξ=抽水工况进出水口水头损失:hξ=式中:H1、H2为断面2-2和1-1测压管水头(m),v1和v2分别表示断面2-2和1-1的平均流速(m/s),α1、α2为断面流速分布系数,hj为表SEQ表\*ARABIC3各种体型时在发电工况下的水头损失无防涡梁圆形防涡梁矩形防涡梁阶梯形防涡梁防涡板防涡梁水头损失0.110.1060.1240.0670.113水头损失系数0.350.2690.1620.1340.209通过计算,阶梯形防涡梁的水头损失要明显小于其他体型,水流比较均匀,没有回流区。水头损失较小。压力分布分析从上图中可以看出,孔口附近压强分布和静水压强分布变化不大。经过计算得出,发电工况下,动水压强分布与静水压强分布有一定的差别,但由于发电工况下孔口附近流速较小v<1.0m/s,压强分布受水流影响不大,仅在回流区动水压强变化明显。结论本文通过5种进水出口体型的二维模拟,从流态、水头损失、压力分布、漩涡和环流四个方面进行分析比较,并与原防涡梁体型与其他体型进行了对比,发现五种体型的水流基本都能均匀出流,但扩散段顶有回流、底部流速偏高,近壁局部区域有阵发性回流,扩散段水平扩散是形成回流的主要原因。阶梯形防涡梁进出水口比其他体型的防涡梁进出水口在流态上有所改善,垂线不均匀系数较原体型也有所降低,扩散段流速分布较其他体型均匀,顶、底层最小流速值明显大于其他体型,水流扩散较好。水头损失系数较其他体型也略有减小。扩散段近壁局部区域阵发性回流与其他体型相比,区域范围有所缩小,强度明显减弱,基本确定阶梯形防涡梁为优化的体型。ADDINNE.Bib参考文献[1]汪达.世界抽水蓄能电站的建设与发展[J].资源开发与保护,1992(01):65-67.[2]李勇.抽水蓄能电站发展探讨[J].江淮水利科技,2015(3):5-6,43.[3]杨泽艳,赵全胜,方光达.我国水工技术发展与展望[J].水力发电,2012,38(10):28-32.[4]卢占会,段树勇.发展中的抽水蓄能电站[J].电力情报,1994(03):26-30.[5]韩立.抽水蓄能电站进/出水口水力设计[Z].广州:200597-112.[6]高学平,叶飞,宋慧芳.侧式进/出水口水流运动三维数值模拟[J].天津大学学报.2006(05):518-522.[7]沙海飞,周辉,黄东军.抽水蓄能电站侧式进/出水口数值模拟[J].水力发电学报,2009(01):84-88.[8]蔡付林,胡明,张志明.双向水流侧式进出水口分流墩研究[J].河海大学学报(自然科学版),2000,28(2):74-77.[9]张从联,朱红华,钟伟强等.惠州抽水蓄能电站上库进出水口水力学模型试验[J].水利水电科技进展,2004,24(6):13-16.[10]黄智敏,张从联,朱红华等.抽水蓄能电站侧式进、出水口的体型研究[J].水电站设计,2007(02):22-24.[11]章军军.抽水蓄能电站竖井式进/出水口体型优化与“卜”型岔管研究[硕士论文D].浙江大学,2005.[12]SaffmanPG,PullinDI.CalculationofvelocitystructurefunctionsforvortexmodelsofisotropicturbulenceFhysicsofFluids,1996,8(11):3072-3084.[13]BetchelorGK.AnintroductiontoFluiddynamics,London:CambridgeUniversityPress,1970,543-546.[14]王小华,何钟怡.二并列方柱绕流的大涡模拟[J].哈尔滨建筑大学学报,2002(02):49-53.[15]桂林,王文蓉,周翔.水电站进水口水工模型试验研究[J].四川水力发电,2001(03):99-100.[16]姜成海,曹玺,何少云.抽水蓄能电站下库进/出水口水力特性[J].水利水运工程学报,201
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