李家海, 桂林, 劉鵬

(四川大學水電學院, 四川 成都 610065)

白鶴電廠泵房進水間導流板傾角優(yōu)化數(shù)值模擬

李家海, 桂林, 劉鵬

(四川大學水電學院, 四川 成都 610065)

基于Navier-Stokes方程和標準k-ε湍流模型, 采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和SIMPLEC算法對白鶴發(fā)電廠二期工程取水泵房進水間流道進行優(yōu)化計算, 并對進水間前導流板角度變化時流態(tài)變化進行比較計算, 確定較優(yōu)的導流角, 增強泥漿泵的排沙效果. 計算結(jié)果表明當前導流板角度為30o和后導流板角度為35o時有較好的流態(tài), 此時流道底板附近流速較大, 并且整個流道內(nèi)有較強烈的湍動流產(chǎn)生, 大部分泥沙可以達到?jīng)_淤平衡. 對多泥沙河流泵房取水間的設計、運行及維護有一定的參考價值.

數(shù)值模擬; 進水間; 導流角;模型

白鶴發(fā)電廠位于重慶市開縣境內(nèi), 電廠一期工程裝機100MW, 二期擴建裝機2X300MW, 取水水源均為東里河. 二期取水口位于一期工程取水口上游約800m的右岸, 其取水泵房進水間共兩個進水窗口, 相應有兩個進水流道, 其進口寬度4706mm, 進口底板海拔高程172.20m, 水泵房布置四臺16SAP-95A型水泵(流量為900-1260m3/h), 三臺工作, 一臺備用, 分別由兩臺水泵從一個進水間取水. 東里河河水中懸移質(zhì)較多, 推移質(zhì)較少, 平時河水清澈, 洪水時則河水渾濁. 河流洪水期含沙量較高, 取水泵房進水間水流流速慢, 容易造成泥沙淤積, 對發(fā)電廠正常工作造成了重大威脅. 本文采取優(yōu)化水泵房進水間流道, 增加導流板的措施來減少取水間泥沙淤積量, 并通過數(shù)值模擬來比較改造前后的流道流態(tài)和改造后前導流板角度不同時的流態(tài), 從而確定最優(yōu)導流角[2]. 前導流板角度為30o進水間結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 前導流板角度為30o進水間結(jié)構(gòu)Fig.1 The former guiding angle is 30owater channel structure

近年來, 計算流體力學(CFD)技術(shù)伴隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸成熟起來, 并被廣泛應用到流場計算中. 本文取白鶴發(fā)電廠一個取水泵房進水間工作頻率較高的某一工況(進水間水位高程為176.30m, 流量為1864m3/h)來進行數(shù)值模擬計算[3]. 分別對設計原型和改造后的三個不同前后導流板角度的模型進行了數(shù)值計算,并利用水力學知識進行比較分析, 以論證改造方案的可行性和確定最優(yōu)導流角. 采用SolidWorks軟件建立三維模型, 借助Gambit軟件對模型流場進行網(wǎng)格劃分和邊界條件定義, 利用Fluent軟件對四個不同的模型流道內(nèi)部流場進行三維粘性流動數(shù)值計算, 得到了各個流道在不同流道結(jié)構(gòu)和布置的流態(tài), 利用水力學知識比較改造前

后的流態(tài)和比較不同導流角模型的流態(tài). 本文對取水口的優(yōu)化設計提供了一定的參考.

1 模型與計算理論

1.1 流體控制方程

本文用清水代替實際水流來進行計算, 并考慮到進水間水流速度慢, 水流液面變化很小的因素, 把取水口流道中的清水流動看作是非定常三維粘性不可壓縮的液態(tài)單相流, 因此本文采用k-ε方程模型進行數(shù)值模擬,從而該流體滿足如下流動方程組[4]:

連續(xù)性方程:

1.2 模型和計算網(wǎng)格

本模型是水泵取水間流道模型, 模型構(gòu)建過程中忽略了攔污柵和進水間閘門的影響, 模型尺寸見表1.本文中計算模型流道內(nèi)流體運動穩(wěn)定性較差, 為了能順利的對流場進行計算, 在劃分網(wǎng)格時采用四面體和六面體網(wǎng)格[5]. 由于本文需要對三個模型進行計算并比較, 為了保證比較結(jié)果的準確性, 對三個模型的網(wǎng)格劃分方式和大小保持一致性, 模型1網(wǎng)格劃分見圖2.

1.3 模型流道邊界條件設置

圖2 模型1的網(wǎng)格劃分Fig.2 The mesh division of model 1

表1 模型尺寸Table 1 The size of model

進口: 速度進口(VELOCITY_INLET), 速度值為0.027m/s.

出口: 自由出流(OUTFLOW).

2 計算結(jié)果與分析

2.1 速度矢量圖

圖3 模型1速度矢量Fig.3 The velocity vector of model 1

由圖3可以看出, 水流是呈現(xiàn)一個急劇壓縮后急劇擴散的一個過程. 前導流板以下流道底板附近水流速度沿著水流方向逐漸增大, 但是在前導流板與后導流板之間流道底板附近水流流速逐漸減小. 此模型流道底板附近流速沿著水流方向變化較大, 泥沙在流速較大的地方不易沉積, 但是在流速減少的地方泥沙淤積比較嚴重,

并且水流與前導流板之間撞擊和脫流比較嚴重.

圖4 模型2速度矢量Fig.4 The velocity vector of model 2

由圖4可以看出, 水流在經(jīng)過前導流板后, 流道底板附近流速大小分布比較均勻, 沒有較大的變化, 能夠較好的減少水流中泥沙在流道底板沉積. 水流與前導流板正面和背面接觸較為平緩, 撞擊和脫流現(xiàn)象不嚴重.

圖5 模型3速度矢量圖Fig.5 The velocity vector of model 3

由圖5可以看出, 前導流板以下流道底板附近和前導流板與后導流板之間速度較小, 水流中泥沙容易沉積.

2.2 水流速度和湍動強度對比分析

取水泵房進水間的泥沙沉積程度與水流流態(tài)有較密切關(guān)系, 評估該種水力條件的重要參數(shù)是流速和湍動強度[6]. 在對進水間加裝導流板之后, 在導流板處減小了過水斷面的濕周, 增加了水力半徑, 在相同的流量時, 該過水斷面水流速度增大, 湍流強度增強, 并在導流板附近前后形成渦流, 減少了泥沙沉積量, 尤其是前導流板角度為30o時底板水流流速較大, 水流湍動較強烈, 有效的提高了取水泵房進水間的可靠性和經(jīng)濟性.

圖6 模型比較取點位置Fig.6 The pointing position of model compare

為了比較模型前擋流板以下底板附近泥沙淤積程度, 并考慮到最優(yōu)擴散角為15o, 取前導流板角度為30o模型底板附近的A、B、C、D四個點(如圖6所示), 每個點所在線段與相鄰之間夾角為5o, 距離進水間流道底板0.1m. 利用FLUENT的后處理功能, 分別獲取各個模型在這四個點處的速度值和湍動強度值, 將其分別繪制到相應的兩個圖表上, 如圖7和圖8所示.

圖7 A、B、C、D點流速分布圖Fig.7 The velocity distribution of A,B,C,D

圖8 A、B、C、D點湍動強度Fig.8 The turbulence intensity of A,B,C,D

如圖7所示, 與另外兩個模型流道相比, 前導流板角度為30o的模型2流道中A、B、C、D四點的流速值差

異并不大, 主要集中在0.15m/s和0.2m/s之間, 并且速度值變化較小, 而另外兩個模型速度值有較大的變化.

如圖8所示, 前導流板角度為30o的模型2流道中A、B、C、D四點湍動強度與模型1較為接近, 但是比模型3大很多. 綜合考慮水流在模型流道中A、B、C、D四點處的速度值和湍動強度, 模型2流道中這幾個點的水流運動程度都較劇烈, 泥沙淤積較少, 而模型1和模型3只是個別點處水流運動程度較劇烈, 由此可知, 前擋流板角度為30o時大部分泥沙可以達到?jīng)_淤平衡.

3 結(jié)論

本文為了對某發(fā)電廠取水泵房進水間導流板傾角進行優(yōu)化設計, 分別構(gòu)建了前導流板角度為25o, 30o和35o的三個流道模型, 采用Navier-Stokes方程、標準k-ε湍流模型、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和SIMPLEC算法對三個模型進行數(shù)值模擬計算. 在對模型流道進行了流態(tài)比較和流速、湍動強度取點比較之后, 分析得出以下結(jié)果:

(1)水流取水泵房進水間流道進口處速度較慢, 在前導流板處速度迅速增大, 形成湍流, 減少泥沙沉積. 在后導流板處也有類似的效果.

(2)前導流板角度為30o的進水間流道底部附近流速比其他模型進水間流道底部附近有更好的分布, 不僅速度值較大, 而且范圍廣, 與此同時, 水流湍動強度也較高.

(3)計算成果表明前導流板角度為30o后導流板角度為35o為最佳組合.

(4)通過本文中對幾個模型的計算得到了較符合實際的結(jié)果, 其與物理模型實驗的結(jié)果較為接近. 由此表明,數(shù)值模擬方法不僅能夠代替昂貴的物理實驗, 而且可以得到較為可靠的數(shù)據(jù).

[1] 王蘭香. 同位網(wǎng)格SIMPLE 算法在水沙運動數(shù)值模擬中的應用[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2011.

[2] 楊洪忠, 賴喜德, 張仁福. 水電站改造中的新技術(shù)[J]. 四川工業(yè)學院學報, 2004.

[3] 張利, 張鑫. 具有水室式調(diào)壓室的引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計算及小波動穩(wěn)定性分析[J]. 西南民族大學學報： 自然科學版, 2012, 38(5): 826-830.

[4] 王福軍. 計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2006.

[5] 韓占忠, 王敬, 蘭小平. FLUNT流體工程仿真計算實例與應用[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2005.

[6] 陳建, 李義天, 鄧金運, 等. 水沙條件變化對三峽水庫泥沙淤積的影響[J]. 水力發(fā)電學報, 2008.

The numerical simulation study on the optimum design about water channel guiding angle of Pump House of Baihe Power Plant

LI Jia-hai, GUI Lin, LIU Peng
(School of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.).

This paper, based on the Navier-Stokes equations and the standard k- ε turbulence model, uses unstructured gridand SIMPLEC algorithm to optimize and calculate the water intake pump house water channels of second phase project of Baihe power plant, compares the calculation of the flow regime when the former guiding angle is changed, explores a better guiding angle and enhances the desilting effect of mud pump. The calculation results show that when the former guiding angle of30oand the hind guiding angle of 35ohave better flow regime, velocity near the flow channel floor is larger, and the entire flow is relatively strong turbulent flow in the water channel, most of sediment erosion and deposition can reach a balance.

numerical simulation; water intake house; guiding angle;model

TV214

: A: 1003-4271(2014)03-0415-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.17

2013-12-19

李家海(1986-), 男, 四川古藺人, 碩士研究生, 研究方向: 水電站水力學及動力系統(tǒng), E-mail: 331701726@qq.com.通訊作者：桂林(1963-), 男, 副教授, 研究方向: 水電站水力學及動力系統(tǒng).