彭 瑋,張小康,鮑海艷

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072;2.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510610;3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072)

1 前 言

對于首部式開發(fā)的水電站,其尾水系統(tǒng)的水頭損失直接關系到水電站長期運行的經(jīng)濟效益。尾水調壓室與尾水洞連接岔洞處的水頭損失在整個尾水系統(tǒng)的能量損失中舉足輕重,因此研究岔洞的合理體型以及岔洞處的水流特性以降低水頭損失對于電站運行有著重要意義。鑒于岔洞處體型、水流流態(tài)的復雜性,水力模型試驗仍是研究岔洞水流流態(tài)和水頭損失的重要手段。近些年來,利用數(shù)學模型模擬岔洞處的水流特性也有了很大進步,國內一些學者甚至對雙向水流岔管進行數(shù)值模擬分析取得了一些成果。李玲、李玉梁等對不同體型岔管進行了大量研究,其中包含對抽水蓄能電站漸擴形銜接對稱岔管的水流阻力特性的數(shù)值模擬及試驗研究,并進行了數(shù)值模擬與試驗研究的對比分析[1-3];劉沛清等對內加強月牙肋三岔管水力特性進行了數(shù)值模擬[4];楊校禮等采用比較成熟的三維 k～ε湍流模型和 SIMPLEC算法對帶加強肋板的三岔管水流運動進行了物理模型試驗和數(shù)值模擬[5]。

本文在眾人研究成果的基礎上應用 CFD技術對官地水電站尾水調壓室與尾水洞的連接岔洞進行三維流場計算與分析,即對尾水調壓室室內、室外交匯的連接方式比較優(yōu)劣,并對較優(yōu)方案的岔洞體型進行優(yōu)化,以減小水頭損失,提高電站的經(jīng)濟指標;再以最終優(yōu)化的岔洞體型開展水力學模型試驗研究,通過恒定流模型試驗得出尾水系統(tǒng)的水頭損失,并與三維流場計算結果進行對比,驗證三維流場計算結果的合理性。

2 尾水調壓室與尾水洞連接方式比選

官地水電站采用右岸首部地下廠房布置方式,裝機容量 2400MW,安裝 4臺 600MW水輪發(fā)電機組,電站設計水頭 115m,單機引用流量 583.6m3/s。引水系統(tǒng)采用單機單管供水,尾水系統(tǒng)采用“兩機一室一洞”的布置格局。引水發(fā)電系統(tǒng)分為兩個水力單元,每個水力單元均由進水口、2條長約 300～400m內徑 11.8m的壓力管道、2條尾水連接管、1個阻抗長廊式尾水調壓室和 1條尾水洞組成。

針對 3、4號機組對應的 2號水力單元,結合本電站樞紐布置特點,尾水調壓室與尾水洞的連接方式,初步擬定室內交匯、室外卜形交匯與室外對稱交匯三種方案。(1)室內交匯方案:兩條尾水連接洞在調壓室底部對稱交匯,以對稱岔形式合為尾水主洞;(2)室外對稱交匯方案:兩條尾水連接洞以槽形穿過調壓室,在調壓室后兩洞對稱交匯為尾水主洞;(3)室外卜形交匯方案:兩條尾水連接洞以槽形穿過調壓室,在調壓室后兩洞卜形交匯為尾水主洞。三方案體型示意見圖1。

應用三維流場對以上三方案的連接岔洞水頭損失進行計算,開展連接方式比選,并對較優(yōu)方案的岔洞體型進行優(yōu)化,提出最終優(yōu)化方案。水力優(yōu)化的目標是:在電站正常運行情況下,連接岔洞的水頭損失盡可能小。

2.1 三種連接方式對比分析

考慮水電站水流流動的特點,不考慮熱交換,三維流場基本方程為質量守恒方程和運量守恒方程。結合尾水系統(tǒng)的水流特點,經(jīng)過比較分析,采用RANS方法中的可行化 k-ε模型(Realizable k-ε Model)來封閉控制方程[6],因為該方法在模擬強逆壓力梯度、射流擴散率、分離、回流和旋轉上有較高的精度。模型中系數(shù)選用 W ilox建議的標準系數(shù)[6],使用對數(shù)律壁函數(shù)來處理 k方程和ε方程的邊界條件,在無滑移的壁面上,用考慮壁面粗糙的對數(shù)律壁函數(shù)來求解剪切速度。采用有限體積法離散基本方程,用 VOF方法模擬自由水面。計算邊界條件為:進口處給定流速、水力直徑和湍流強度;出口處所有變量擴散通量均為零,采用完全發(fā)展流動假設;調壓室頂部為自由水面。

2.1.1 計算條件

圖1中(a)、(b)、(c)為尾水調壓室與尾水洞三種連接方式的體型示意圖。為計算水頭損失和顯示流場,在尾水系統(tǒng)流道上布置了若干斷面。室外卜形交匯的各斷面編號及斷面位置見表1。計算網(wǎng)格以六面體網(wǎng)格為主,在難以劃分六面體網(wǎng)格的局部區(qū)域,劃分四面體網(wǎng)格。

2.1.2 三維流場計算結果對比

將三維流場計算結果通過斷面平均概化為一維總流值,對應 3、4號機組正常運行,三種連接方案各個斷面的水頭(測壓管水頭、流速水頭、總水頭)和水頭損失(岔洞水頭損失及調壓室下游總水頭損失)計算結果見表2。

圖1 尾水調壓室與尾水洞連接方式

其中岔洞水頭損失分別為斷面 p2-1與斷面p、斷面 p2-2與斷面 p的總水頭之差;調壓室下游總水頭損失為斷面 top與斷面 outlet的總水頭之差加上出口損失;由于沒有模擬出口水池,其水頭損失根據(jù)規(guī)范得出,取 1倍的流速水頭。水頭損失系數(shù)均以尾水洞中流速水頭為基準,測壓管水頭以調壓室底部為基準。

三種連接方案在水平斷面 A上的流速分布、流速矢量和壓強分布見圖2～4。

表1 尾水系統(tǒng)各斷面編號及斷面位置

表2 三種連接方案各斷面水頭及水頭損失計算結果

從表2可以看出:方案(c)室外卜形交匯的水頭損失最小,方案(a)室內交匯的水頭損失最大,而方案(b)室外對稱交匯的水頭損失介于以上兩方案之間。

由速度分布圖 2、3可見:方案(a)受斷面急劇轉彎的限制,在岔洞轉彎和交匯位置有很大范圍流速較低的區(qū)域,這導致了主流的有效過流面積束窄、減少,流速變大,斷面流速分布不均勻;方案(b)因轉彎平和,相對方案(a)有一定的改善;方案(c)在交匯處流速分布比較均勻,主流幾乎占整個隧洞斷面。

從壓強分布圖 4可以看出:方案(a)在岔洞轉彎和交匯位置有很大范圍的相對高壓區(qū);方案(b)在交匯位置出現(xiàn)相對高壓區(qū)的范圍要小;兩方案均在岔洞交匯處壓強變化快,斷面分布不均勻。方案(c)壓強分布比較平順均勻,其在交匯和轉彎位置的局部相對高壓區(qū),是由局部邊界的突變所引起的,通過修圓可以得到很好的改善。通過分析和比較流場特征可知:方案(c)室外卜形交匯的流態(tài)最平順,方案(b)室外對稱交匯流態(tài)次之,方案(a)室內交匯流態(tài)最差。

根據(jù)三維流場計算,從水流流態(tài)特征看,室外交匯方式,不管是室外卜形還是室外對稱交匯,其流態(tài)均比方案室內交匯好些。從水損看,調壓室對應 3、4號兩機正常運行時,室外卜形交匯水頭損失最小,室外對稱交匯次之,室內交匯由于水流對沖,水頭損失最大。調壓室對應 3號或 4號單機運行時,還是方案(c)室外卜形交匯最小,本文從略。

圖2 流速分布

圖3 流速矢量

圖4 壓強分布

從水流流態(tài)特征和水頭損失看,方案(c)室外卜形交匯相對較優(yōu)。

2.2 體型優(yōu)化

方案(c)室外卜形交匯為岔洞在調壓室外交匯,支洞與主洞采取小洞接大洞的連接型式,即交匯前,2-1支洞保持原斷面不變,2-2支洞的洞高先漸變到與尾水主洞同高度,然后兩支洞相交。優(yōu)化后的體型,平面不變,立面采用等高相接,即兩條支洞都先漸變到與尾水主洞同高度,再等高相接交匯。優(yōu)化后體型示意見圖1(c)、(d)。

針對優(yōu)化后的體型(b)開展三維流場計算。對應 3、4號機正常運行,原體型及優(yōu)化后體型各個斷面的水頭(測壓管水頭、流速水頭、總水頭)計算結果見表3,水頭損失(岔洞水頭損失及調壓室下游總水頭損失)計算結果見表3。兩體型在水平斷面 A上的流速矢量、流速和壓強分布見圖5。

從表3可以看出:優(yōu)化后體型的水頭損失比原體型稍小。由壓強分布圖可以看出,兩洞交匯后,原體型相對高壓區(qū)延伸的范圍小,迅速過渡到較低的壓力區(qū),而優(yōu)化體型整體的壓力分布更為平緩、均勻,壓力過渡也更為平滑。從速度分布圖可以看出,兩洞交匯后,原體型流速分布并不均勻,高流速區(qū)偏向尾水洞靠 2-2支洞一側,而優(yōu)化體型中,流速從交匯位置的高流速區(qū)逐漸擴散到整個尾水洞斷面,流速增長相對較緩和,匯流后流速分布均勻平緩,且最大流速明顯比原體型小。

表3 室外卜形交匯兩種體型各斷面水頭及水頭損失計算結果

圖5 兩體型在水平斷面 A上的流速矢量、流速和壓強分布

岔洞的局部水頭損失主要發(fā)生在岔洞交匯處,優(yōu)化體型采用等高相接,其流道斷面的大小和形狀突變小,流道斷面過渡更平緩,水頭損失小,流速、壓強分布更合理,流態(tài)更平順。因而,從水力學考慮,選擇等高相接的優(yōu)化體型作為最終設計方案。

3 三維流場計算與模型試驗水頭損失結果對比分析

根據(jù)上述最終設計方案開展官地水電站尾水系統(tǒng)水力學模型試驗,通過恒定流模型試驗得出尾水系統(tǒng)的水頭損失,通過與三維流場計算結果對比來驗證三維流場計算結果的可靠性。

本次試驗的正態(tài)模型幾何比尺為 1∶50,并針對3、4號機組對應的 2號水力單元進行恒定流模型試驗。分別對以下三種工況進行試驗與三維流場計算結果對比,三種工況分別為:3號機組正常運行,4號機組停機;4號機組正常運行,3號機組停機;兩臺機組正常運行。

尾水出口水頭損失根據(jù)規(guī)范計算,ξ=(1-A1/A2)2=0.597,其中 A1為尾水洞面積,A2為出口后的尾水池斷面積。由于三維流場計算沒有模擬出口水池,其水頭損失取 ξ=0.597。

三維流場計算與模型試驗水頭損失結果見表4。

由表4可以看出,試驗結果與三維流場計算結果較吻合,規(guī)律性是一致的。從調壓室到尾水池的總水頭損失對比來看:3號機或 4號機單獨運行時,計算結果比試驗結果稍大;而 3、4號機組同時運行時,計算結果比試驗結果略小。岔洞水頭損失/局部水頭損失系數(shù)也存在相同的規(guī)律,且單臺機運行時的岔洞水頭損失系數(shù)稍大一些,即三維流場計算的水頭損失與試驗方法得到的水頭損失結果相差不大,誤差較小。

還應該指出的是:兩臺機同時運行時,按規(guī)范計算得到的 3號尾水支洞水頭損失系數(shù)為 0.36,4號為 0.092,與三維流場計算及試驗結果相差很大。其原因是:在有阻抗孔的調壓室外采用不對稱的卜形岔,兩條尾水支洞之間通過調壓室阻抗孔存在流量交換,在三維流場的計算和試驗中,其岔洞水頭損失中均包含了這部分交換的流量進出阻抗孔口增加的水頭損失。

經(jīng)以上對比分析可知,各工況下三維流場計算與模型試驗的水頭損失較吻合,規(guī)律一致。采用三維流場計算尾水(引水)系統(tǒng)水頭損失值準確性較高,且還可以正確顯示流道中的流態(tài),可對方案進行對比,得出較優(yōu)的尾水(引水)系統(tǒng)體型,為一些無法進行模型試驗的工程提供設計依據(jù)。

表4 三維流場計算與模型試驗水頭損失對比

4 結 論

本文首先利用 CFD技術探討了官地水電站尾水調壓室與尾水洞連接岔洞三種體型在恒定流條件下的水頭損失和水體流態(tài)特征,得出調壓室后卜形交匯方案的水頭損失最小,從水力學角度分析該方案較優(yōu);其次針對調壓室后卜形交匯方案岔洞處支洞與主洞的連接型式進行了對比分析,兩條支洞等高相接體型水頭損失較小,流態(tài)較好;最后以最終優(yōu)化的岔洞體型,開展電站的尾水系統(tǒng)水力學模型試驗。通過恒定流試驗及與三維流場計算結果的比較,得出試驗結果與三維流場結果較接近,證明了三維流場計算結果的可靠性。本文通過方案對比及體型優(yōu)化得出較優(yōu)的尾水系統(tǒng)體型,已作為該電站的實施方案。

[1]李玲,李玉梁,陳嘉范,黃繼湯.抽水蓄能電站漸擴形銜接對稱岔管水流阻力特性試驗研究[J].水力發(fā)電學報,2002,21(4):81-85.

[2]李玲,李玉梁,黃繼湯,郝忠志.三岔管內水流流動的數(shù)值模擬與實驗研究[J].水利學報,2001,32(3):49-52.

[3]李玉梁,李玲,陳嘉范,黃繼湯.抽水蓄能電站對稱岔管的流動阻力特性[J].清華大學學報,2001,43(2):270-272.

[4]劉沛清,屈秋林,等.內加強月牙肋三岔管水力特性數(shù)值模擬[J].水利學報,2004,35(3):42-46.

[5]楊校禮,高季章,劉之平.三岔管水流數(shù)值模擬研究[J].水利水電技術,2005(1):48-50.

[6]D CW ilcox.Turbulencemodeling for DFD.2nd ed.[M].DCW Industries,La Canada,2000.