王坤雷，陳玉妍，謝松樺

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

基于FLUENT的水電站壓力前池尺寸研究

王坤雷，陳玉妍，謝松樺

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

壓力前池是水電站中常見的平水建筑物，用于連接無壓引水系統(tǒng)中的引水道和壓力管道。合理的前池尺寸可以改善前池內(nèi)的水流流態(tài)，減小前池內(nèi)的漩渦，利于池內(nèi)泥沙沉降，從而降低泥沙對水輪機(jī)的磨損。本文以FLUENT為平臺(tái)，分析同一前池體積下使池內(nèi)水流流態(tài)較好的前池尺寸。

壓力前池 FLUENT 水流流態(tài)

1 概述

壓力前池是水電站中常見的平水建筑物，用于連接無壓引水系統(tǒng)中的引水道和壓力管道。其作用包括滿足壓力管道有壓進(jìn)水口的要求，穩(wěn)定水流，沉降池內(nèi)泥沙及清除池中漂浮物等。合理的前池尺寸，可以改善池內(nèi)的水流流態(tài)，減小池內(nèi)的漩渦，利于池內(nèi)泥沙沉降，從而降低泥沙對水輪機(jī)的磨損。規(guī)范中指出，前池尺寸設(shè)計(jì)主要取決于布置需要和改善水流狀態(tài)，但并未提出池身尺寸的具體要求。前池內(nèi)水流流態(tài)的好壞，影響到電站的正常、安全運(yùn)行，而前池的尺寸直接影響著池內(nèi)的水流流態(tài)，所以合適的前池尺寸對前池設(shè)計(jì)是很有必要的。本文對某電站前池進(jìn)行數(shù)值模擬，分析同樣工況和體積下前池長度、寬度、深度的匹配關(guān)系，以保證較好的前池內(nèi)水流流態(tài)。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

k方程：

2.2 網(wǎng)格劃分

采用FLUENT的前處理軟件GAMBIT制作三維控制體積網(wǎng)格，對實(shí)體剖分網(wǎng)格過程中采取分塊剖分，局部加密技術(shù)。普通區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，復(fù)雜區(qū)域則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。各種方案的計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模在3萬～4萬之間。

2.3 邊界條件

2.3.1 進(jìn)口邊界條件。模擬范圍包括整個(gè)前池及部分引水渠和壓力管道，根據(jù)電站的設(shè)計(jì)流量和引水渠的斷面尺寸，可算得引水渠的斷面平均流速，因此進(jìn)口邊界條件選用速度進(jìn)口邊界條件。

2.3.2 出口邊界條件。采用壓力出口作為出口邊界條件。

2.3.3 自由液面。在處理自由液面時(shí)，設(shè)置x,y,z方向上的應(yīng)力為零，粗糙度為零。

2.3.4 壁面條件。采用無滑移的固壁邊界，壁面材料選用混凝土，粗糙度取0.015。

3 計(jì)算工況

某電站引用流量8.2m3/s，前池上游接引水明渠，明渠寬3m，渠道總長2700m，坡降為1/1500。壓力前池總體布置由漸變段、前池、進(jìn)水口等部分組成，漸變段(中心線)長14m，底坡i=0.2，前池邊墻高程為1179.21m，前池底板高程為1172.00m。進(jìn)水口段長13.8m，依次設(shè)攔污柵、工作閘門、通氣孔。進(jìn)水口底高程1173.20m，工作閘門1孔1.8×1.8m，采用單管雙機(jī)供水型式，用2.5m漸變段與壓力鋼管連接，壓力鋼管管徑為1.5m。為了研究在相同前池連接段且前池容積相同前提條件下，不同池身長寬比的結(jié)構(gòu)尺寸對前池內(nèi)的水流流態(tài)的影響，分別列出不同池身長寬比的方案對比，在對不同模型同一橫斷面上的流速不均勻系數(shù)、紊動(dòng)強(qiáng)度、紊動(dòng)能分布進(jìn)行分析比較后，在前池容積一定的前提下找出水流流態(tài)隨長寬比的變化規(guī)律，從而選出水流流態(tài)較好的前池結(jié)構(gòu)尺寸。方案列表如表1所示。

表1

不同池身長寬比方案尺寸

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 流速不均勻系數(shù)分析

以斷面上散點(diǎn)流速的均方差定義為不均勻系數(shù)β：

(1)

通過Tecplot軟件提取前池?cái)嗝嫔仙Ⅻc(diǎn)的流速值，由式(1)算得不同長寬比模型x=24m橫斷面的流速不均勻系數(shù)如圖1所示。

圖1 不同長寬比模型x=28m橫斷面流速不均勻系數(shù)

由圖1，隨著長寬比的不斷增加，x=28m橫斷面的流速不均勻系數(shù)均有變小的趨勢，到L/B=6時(shí)，流速不均勻系數(shù)達(dá)到最小，隨著長寬比的繼續(xù)增加，流速不均勻系數(shù)反而增大。

4.2 紊動(dòng)強(qiáng)度分析

就表1中不同長寬比的前池模型取x=24m斷面，其紊動(dòng)強(qiáng)度分布如圖2所示。

圖a 長寬比L/h=3

圖b 長寬比L/h=4

圖c 長寬比L/h=5

圖d 長寬比L/h=6

圖e 長寬比L/h=7

由圖2可見，沿池身長度方向紊動(dòng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小的趨勢。L/B=6、7模型x=24m斷面，水流中心處紊動(dòng)強(qiáng)度值最小，且水面平穩(wěn)。

5 結(jié)論

用fluent軟件對相同容積、相同前池連接段，不同池身長寬比的前池內(nèi)的水流進(jìn)行數(shù)值模擬，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，分析9個(gè)典型橫斷面的流速分布、紊動(dòng)強(qiáng)度分布，并計(jì)算出各斷面的流速不均勻系數(shù)。隨著長寬比L/B值的不斷增加，各橫斷面的流速不均勻系數(shù)均有變小的趨勢，到L/B=6時(shí)，流速不均勻系數(shù)達(dá)到最小，隨著長寬比的繼續(xù)增加，流速不均勻系數(shù)反而增大；沿池身長度方向紊動(dòng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小的趨勢。L/B=6、7模型，紊動(dòng)強(qiáng)度較快達(dá)到穩(wěn)定值，且其紊動(dòng)強(qiáng)度較小。

〔1〕劉啟釗.水電站[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

〔2〕馬善定，汪如澤．水電站建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

〔3〕王瑞金，張 凱，土 剛.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

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