楊帆, 刁明軍, 薛宏程

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610065)

引水電站側(cè)向進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬研究

楊帆, 刁明軍, 薛宏程

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610065)

引水電站側(cè)向進(jìn)水口因河流主流方向與引水管水流方向垂直, 易出現(xiàn)貫通式吸氣漩渦. 為研究進(jìn)水口合理體型, 采用RNG k-ε 方程紊流模型對(duì)四種不同體型電站進(jìn)水口水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬. 分析進(jìn)水口內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)螺旋流線、漩渦強(qiáng)度、引水管進(jìn)口流場(chǎng)分布情況, 比較四種體型(大喇叭口型, 鐘型, 碗型, 不對(duì)稱型)進(jìn)水口的差異. 得出碗狀進(jìn)水口內(nèi)水流流態(tài)更好, 不易出現(xiàn)貫通性漩渦, 水力損失較小, 體型設(shè)計(jì)具有相對(duì)優(yōu)勢(shì), 對(duì)于側(cè)向進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)有參考意義.

側(cè)向進(jìn)水口; 數(shù)值模擬; 螺旋流線; 漩渦強(qiáng)度; 碗狀進(jìn)水口

1 引言

引水工程水電站進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)主要考慮流態(tài)平穩(wěn)順暢, 并且水頭損失小. 電站正常運(yùn)行時(shí), 避免出現(xiàn)貫通式漏斗漩渦. 貫通式漏斗漩渦的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致過流能力降低, 機(jī)組效率降低, 水流脈動(dòng)加劇, 結(jié)構(gòu)振動(dòng), 卷吸漂浮物等危害.[1]有壓式進(jìn)水口底板高程設(shè)計(jì), 應(yīng)保證在上游最低運(yùn)行水位時(shí)進(jìn)水口仍有足夠的淹沒深度, 保證口門流態(tài)平穩(wěn).[2]

因地址條件或輸沙要求等限制, 工程中常有側(cè)向布置的取水樞紐, 庫區(qū)主流方向與電站引用水流方向垂直,水流在進(jìn)水口處出現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn), 形成環(huán)流, 容易導(dǎo)致水流不平穩(wěn)均勻, 出現(xiàn)漩渦, 嚴(yán)重的產(chǎn)生危害較大的貫通性吸氣漩渦. 側(cè)向進(jìn)水口的體型設(shè)計(jì), 關(guān)系到水頭損失的大小, 水流能否平順的進(jìn)入電站, 電站的正常運(yùn)行.

從現(xiàn)有研究知道, 進(jìn)水口前漩渦受邊界條件和初始環(huán)量影響[3]. 取水角度的大小對(duì)進(jìn)水口近區(qū)水域的水流結(jié)構(gòu)影響非常顯著.[4]鄧淑媛通過工程經(jīng)驗(yàn)分析了貫通性漏斗漩渦的形成過程. 來流受到進(jìn)水口邊界約束, 產(chǎn)生收縮導(dǎo)致水流流向及能量發(fā)生較大變化, 進(jìn)水口前水位雍高產(chǎn)生一個(gè)水流滯留區(qū). 這部分水體易出現(xiàn)表面環(huán)流產(chǎn)生漏斗形貫通漩渦. 水力模型試驗(yàn)研究因難以同時(shí)滿足Fr 相似、Re 相似、We 相似, 具有一定的縮尺效應(yīng).[5]葉茂等采用RNG k-ε紊流模型對(duì)有無防渦墩兩種情況進(jìn)行模擬,再現(xiàn)了漏斗狀吸氣旋渦,計(jì)算結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好,驗(yàn)證了旋渦模擬的可行性.[6]高學(xué)平通過數(shù)值模擬分析了體型對(duì)于進(jìn)水口孔口附近流態(tài)和水頭損失的影響.[7]吳潔康等利用數(shù)值模擬, 分析側(cè)向進(jìn)水口漩渦水面線以及三維流速分布, 并根據(jù)其運(yùn)動(dòng)軌跡將漩渦運(yùn)動(dòng)分為三部分.[8]V. S. Neary關(guān)于側(cè)向進(jìn)水口三維流動(dòng)復(fù)雜模型, 提供了實(shí)驗(yàn)室研究所達(dá)不到的細(xì)節(jié)資料.[9]針對(duì)漩渦的數(shù)模與試驗(yàn)和實(shí)際情況吻合良好, 說明了數(shù)值模擬的可靠性.

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用RNG k-ε 方程模型, 控制方程如下:

2.2 計(jì)算模型及區(qū)域網(wǎng)格劃分

根據(jù)水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范, 一般要求引水工程進(jìn)水口喇叭口體型宜為流線形或鐘形, 體型曲線宜選用橢圓曲線或圓曲線. 本文計(jì)算模型參照某首部樞紐引水電站, 建模時(shí)考慮并簡化上游庫區(qū), 電站進(jìn)水口, 引水管,下游河道, 對(duì)于重點(diǎn)研究區(qū)域電站進(jìn)水口, 進(jìn)行網(wǎng)格加密處理(見圖1). 計(jì)算區(qū)域均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 同時(shí)調(diào)整網(wǎng)格走向與水流方向大致相同, 保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性. 模型上游庫區(qū)正常蓄水位988m, 下泄流量為3330m3/s, 電站引用流量為100m3/s, 進(jìn)水口底高程為970m, 引水管道直徑為7m. 閘墩為半徑1m的圓形墩頭,長5.32m, 寬2m(見圖2). 進(jìn)水口與引水管道之間由高程從982m降到977m的橢圓弧壓坡連接.

本文針對(duì)四種不同體型的側(cè)向進(jìn)水口進(jìn)行模擬, 比較其水力特性的差異. Ⅰ型為大喇叭口型進(jìn)水口, Ⅱ型為鐘形進(jìn)水口, Ⅲ型為碗型進(jìn)水口, Ⅳ型為不對(duì)稱型進(jìn)水口. 四種體型的主要差異在進(jìn)水口弧線, 在高程及最終引水管道連接處均一致(見圖3). 庫區(qū)進(jìn)口面分為上部空氣進(jìn)口和下部水進(jìn)口, 空氣進(jìn)口為壓力進(jìn)口, 保證上游正常蓄水位及下泄流量, 設(shè)定水進(jìn)口為速度進(jìn)口. 電站引水管道保證引用流量穩(wěn)定在100m3/s.

圖1 數(shù)值模擬區(qū)域Fig.1 the Numerical Simulation Region

圖2 電站進(jìn)水口網(wǎng)格劃分Fig.2 the Mesh Generation in the Intake

圖3 四種體型電站進(jìn)水口Fig.3 Four Types of Intakes

3 模擬結(jié)果分析

3.1 三維流線分析

圖4 進(jìn)水口多圈螺旋流線Fig.4 the Flow Motion Stream Lines in the Intakes

四種體型在相同邊界及初始條件下, 進(jìn)水口內(nèi)主要螺旋流線如圖4, 圖中白線為水氣交界面. Ⅰ型無擴(kuò)散段,水流在進(jìn)水口受右邊界約束, 向中心擠壓, 強(qiáng)制轉(zhuǎn)向, 出現(xiàn)從水面上方垂直貫通直到進(jìn)水口底板的流線, 極易形成貫通式吸氣漩渦; Ⅱ型左側(cè)進(jìn)水口擴(kuò)散段弧線向內(nèi)收縮, 擾亂水流旋轉(zhuǎn)走向, 螺旋流線混亂, 水流紊動(dòng)強(qiáng)烈,進(jìn)入引水管內(nèi)的流線起伏波動(dòng)較大, 水流不平穩(wěn), 出現(xiàn)水流沖擊管壁現(xiàn)象; Ⅲ型右側(cè)流線螺旋渦心位置及半徑變化幅度不大, 并未延伸到水面不易形成貫通漩渦, 左側(cè)下部流態(tài)紊亂; Ⅳ型進(jìn)水口右側(cè)出現(xiàn)與Ⅰ型相似的貫通垂直流線, 進(jìn)水口左側(cè)引導(dǎo)弧線較長, 類似Ⅰ型, 螺旋線半徑隨高度降低而減小, 最后平順進(jìn)入引水管. 比較四種體型, 右側(cè)Ⅲ型效果較好, 左側(cè)Ⅳ型相對(duì)較好.

3.2 流線及漩渦強(qiáng)度分析

圖5 Z=975m截面流線及漩渦強(qiáng)度分布圖Fig.5 the Distribution Diagrams of the Vorticity Magnitude in the Z=975m Section

取出Z=975m處的截面, 此處為引水管中上部位置, 做出相應(yīng)流線及漩渦強(qiáng)度分布圖(圖5). 水流從上游進(jìn)入垂直方向的引水管, 進(jìn)水口右側(cè)水流形成順時(shí)針繞流, 四種體型水流均出現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 漩渦中心強(qiáng)度Ⅰ型和Ⅱ型最大, 達(dá)到1s-1; 左側(cè)水流進(jìn)入進(jìn)水口, 在無足夠空間時(shí), 水流以較大流速進(jìn)入引水管, 同時(shí)擠壓右側(cè)水流, 如Ⅰ型, 在左側(cè)空間較大時(shí), 水流形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), Ⅱ型漩渦中心強(qiáng)度最大, 達(dá)到1.1s-1,原因?yàn)檫M(jìn)水口經(jīng)擴(kuò)散段后迅速收縮, 水流集中約束在擴(kuò)散段內(nèi), 紊動(dòng)強(qiáng)烈. Ⅲ型和Ⅳ型在左右兩側(cè)均留出部分空間使水流調(diào)整流向,Ⅳ型進(jìn)水口弧線變化更貼近水流流線, 漩渦半經(jīng)小. 可知進(jìn)水口邊墻弧線設(shè)計(jì)需考慮引導(dǎo)水流, 并提供水流調(diào)整空間.

3.3 流場(chǎng)分析

進(jìn)水口內(nèi)水流經(jīng)流態(tài)調(diào)整, 進(jìn)入與河道主流垂直的引水道. 為保證電站的正常運(yùn)行, 要求經(jīng)調(diào)整的水流, 水頭損失小, 同時(shí)進(jìn)入引水道的流態(tài)平穩(wěn). 本文取出水流經(jīng)調(diào)整后進(jìn)入引水道的初始斷面(X=14m)分析, 比較四種體型水流流速, 流場(chǎng)分布情況. 流場(chǎng)分布見圖6.

圖6 X=14m斷面四種體型進(jìn)水口流場(chǎng)圖Fig.6 the Diagrams of Flow Field in the X=14m Section at the Intakes

四種體型流速大小均在1.2-1.8m/s的范圍內(nèi), Ⅰ型和Ⅲ型流速最大值均集中在斷面中心位置, 向四周均勻減小, 從流向分析, Ⅰ型有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì), Ⅲ型有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì). Ⅱ型和Ⅳ型流速最大值集中在斷面右側(cè)中下部, 左側(cè)下部水流流速比右側(cè)平均小0.4m/s,說明水流在進(jìn)水口并未調(diào)整均衡, 進(jìn)入引水道的水流將從右側(cè)沖撞左側(cè)管壁, 進(jìn)一步調(diào)整, 并帶來水頭損失. 分析原因?yàn)棰蛐瓦M(jìn)水口在靠近引水道位置, 向中部收縮, 水流調(diào)整的空間不夠, 左右側(cè)水流不平衡; Ⅳ型從閘墩兩側(cè)進(jìn)入進(jìn)水口的流量因左側(cè)進(jìn)水寬度大, 左側(cè)水流流量大, 進(jìn)入進(jìn)水口后擠壓右側(cè)水流空間, 導(dǎo)致在X=14m斷面處右側(cè)水流流速大. 進(jìn)水口左右側(cè)水流流量, 流速, 流向的差異均可能導(dǎo)致引水管內(nèi)部流態(tài)的紊亂, 以及較大的水頭損失, 左右對(duì)稱設(shè)計(jì)能較好的保證引水管內(nèi)流態(tài)的平穩(wěn)均勻.

4 結(jié)論與討論

考慮數(shù)值模擬計(jì)算花費(fèi)少、方案改變快、信息完整、模擬能力強(qiáng)、不存在比尺效應(yīng)的特點(diǎn), 本文對(duì)四種體型進(jìn)水口進(jìn)行模擬, 分析主要旋轉(zhuǎn)螺旋流線、流線與渦量、流場(chǎng), 比較四種體型的水力特性.

Ⅰ型大喇叭口體型在進(jìn)水口右側(cè)擠壓水流, 易出現(xiàn)貫通吸氣漩渦; Ⅱ型鐘形進(jìn)水口收縮弧線較陡, 進(jìn)水口內(nèi)水流調(diào)整空間小, 渦強(qiáng)較大, 引水管進(jìn)口斷面流場(chǎng)分布不均勻, 引水管內(nèi)流線起伏波動(dòng)大, 水流不能順暢平穩(wěn)進(jìn)入引水管; Ⅲ型碗狀進(jìn)水口水流擴(kuò)散調(diào)整空間大, 引水管內(nèi)流態(tài)較好, 左側(cè)進(jìn)水口弧線需進(jìn)一步優(yōu)化; Ⅳ型不對(duì)稱進(jìn)水口因兩側(cè)進(jìn)水寬度不一致, 兩側(cè)流量差異, 兩股水流相互作用, 導(dǎo)致引水管進(jìn)口斷面流場(chǎng)分布不均勻.

通過四種不同體型進(jìn)水口的比較, 得出碗狀進(jìn)水口在以上水力特性上具有優(yōu)勢(shì), 同時(shí)結(jié)合不對(duì)稱進(jìn)水口的優(yōu)勢(shì)考慮, 可在進(jìn)水口上游加上斜導(dǎo)墻, 引導(dǎo)水流以一定夾角方向進(jìn)入進(jìn)水口, 改善左側(cè)水流流態(tài).

[1] 陳云良. 進(jìn)水口前立軸漩渦的水利特性的研究[D]. 成都: 四川大學(xué), 2006.

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Numerical simulation study of the shape design at horizontal intakes

YANG Fan, DIAO Ming-jun, XUE Hong-cheng
( State Key Lab of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.)

The storied relation between the river flow direction and the water direction in the aqueduct, brings about through type inspiration vortex easily in the cited hydropower lateral intake. In order to study the reasonable shape of water intakes, the flow in four types of intakes (the big horn mouth shape, the bell shape, the bowl shape, the asymmetric shape) was simulated numerically using the RNGturbulent model. A few hydraulic characteristics were investigated and compared, which were the flow motion stream line, the vorticity magnitude and the distribution of flow field at the entrance of aqueduct. The results show that the bowl-shaped intake has advantage in the flow condition and the head loss, and is not easy to bring about through type vortex. The research is in prospect of reference for the similarity intake design.

horizontal intake; numerical simulation; spiral flow line; vorticity magnitude; bowl-shaped intake

TV67

: A

1003-4271(2014)03-0410-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.16

2014-03-05

楊帆(1990-), 女, 四川德陽人, 碩士研究生, 研究方向: 水工水力學(xué). Email: 695634834@qq.com

刁明軍(1968-), 男, 四川簡陽人, 教授, 博士, 博士生導(dǎo)師, 研究方向: 水工水力學(xué). Email: diaomingjun@scu.edu.com.