(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢，430015)

1 引言

塔貝拉水電站位于南亞巴基斯坦首都伊斯蘭堡西北方70km，該工程具有灌溉、發(fā)電、防洪等效益。主要水工建筑物包括主壩、副壩、主輔溢洪道、灌溉隧洞、發(fā)電引水隧洞以及廠房等，面板堆石壩最大壩高143m，一期工程于1968年開工建設(shè)，1976年正式蓄水發(fā)電。

塔貝拉四期擴(kuò)建項(xiàng)目是將原有的4號(hào)灌溉隧洞下游出口改建成發(fā)電壓力鋼管和發(fā)電廠房。壓力鋼管布置在原灌溉隧洞的出口挑坎區(qū)域，該位置的挑坎等建筑物拆除后，從灌溉隧洞末端接新的壓力鋼管至新廠房發(fā)電。

壓力鋼管由一條主管、5個(gè)岔管及6條支管組成，其中3條鋼管用于發(fā)電，2條鋼管用于泄水沖砂，在靠近廠房側(cè)的泄水沖砂鋼管上再分岔出1條鋼管(末端接機(jī)組備用減壓閥)。泄水沖砂鋼管出口設(shè)平板事故閘門及工作弧門，門后設(shè)消力坎和消力池。

岔管初步設(shè)計(jì)方案為梁式岔管，由于梁式岔管外露梁尺寸大，施工困難，而內(nèi)加強(qiáng)肋岔管是在三梁岔管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種岔管形式，它是一個(gè)完全嵌入管殼內(nèi)的月牙形肋板U形梁(如圖1所示)。這種設(shè)計(jì)對(duì)岔管結(jié)構(gòu)加強(qiáng)效果較好，并且能減小肋板外伸的寬度[1]，近年來在國(guó)內(nèi)外水電工程岔管設(shè)計(jì)中得到工程師的青睞。

然而，肋板內(nèi)伸的存在不可避免的會(huì)引起水流的擾動(dòng)，引起岔管內(nèi)流態(tài)的變化并帶來水頭損失。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)岔管水力特性進(jìn)行了較為深入的研究[2-5]，然而這些文獻(xiàn)大都沒有涉及肋板或者單獨(dú)對(duì)肋板帶來的水力特性改變進(jìn)行研究。本文以巴基斯坦塔貝拉水電站岔管肋板的設(shè)置為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)研究探討肋板對(duì)岔管水力特性的影響。

圖1 內(nèi)加強(qiáng)肋板示意

2 計(jì)算模型與方法

2.1 參數(shù)定義

如圖1所示，肋板的外輪廓是兩個(gè)椎管相交形成的一條橢圓曲線，而內(nèi)輪廓通常被選為一條拋物線，這樣就形成了一個(gè)月牙形狀的肋板。為了方便量化描述肋板的幾何特性，本文定義了一個(gè)參數(shù)：肋板最大斷面水平投影寬度WR和管殼體相貫線水平投影長(zhǎng)度LH之比為肋寬比(XR)。

(1)

此外，對(duì)于水頭損失的定量描述，通常用水頭損失系數(shù)[6]來表達(dá)：

(2)

其中，下標(biāo)i和j分別指相連的上下游兩段支管，連接處會(huì)產(chǎn)生水頭損失；下標(biāo)M指主支管。

2.2 計(jì)算模型

塔貝拉水電站的F鋼岔管采用卜形布置，主管內(nèi)直徑13.0m，兩支管內(nèi)直徑分別為7.5m和10.615m，分岔角50°，單機(jī)額定流量為440m3/s，采用廣泛應(yīng)用的月牙肋鋼岔管(如圖2所示)。為了研究肋板幾何形狀對(duì)岔管流態(tài)和水頭損失的影響，一共設(shè)置了6種不同肋寬比的模型，其中XR=0表示沒有設(shè)置肋板。

根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行情況，一共可分為3種運(yùn)行工況：雙機(jī)發(fā)電、A機(jī)發(fā)電、B機(jī)發(fā)電。A機(jī)發(fā)電或B機(jī)發(fā)電又可稱為單機(jī)發(fā)電。3種工況下進(jìn)出口邊界條件如圖2所示，進(jìn)口為速度邊界，出口為壓力邊界，壁面為無滑移固定邊界。采用Realizable k-ε模型進(jìn)行計(jì)算(該模型計(jì)算量適中、精度高且適用性好，在模擬強(qiáng)逆壓力梯度、射流擴(kuò)散率、分離、回流、旋轉(zhuǎn)上有較高精度)?；贑FD通過FLUENT@軟件進(jìn)行計(jì)算，速度和壓力方程用SIMPLEC算法耦合。為了盡量減小約束端及水流穩(wěn)定對(duì)岔管的影響，主、支管段軸線長(zhǎng)度從最大公切球球心向上、下游，結(jié)構(gòu)計(jì)算大于最大公切球直徑的3倍，水力學(xué)計(jì)算大于10倍。為了保證模擬的準(zhǔn)確性，計(jì)算之前進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性分析，最終模型的網(wǎng)格數(shù)量大概在310萬(wàn)到370萬(wàn)之間。

3 結(jié)果分析

圖2 計(jì)算模型、邊界條件和工況

3.1 水頭損失

岔管水頭損失的大小會(huì)直接影響到電站的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益，因此肋板的設(shè)置帶來的水頭損失必須嚴(yán)格控制。針對(duì)不同的肋寬比，進(jìn)行了3種工況下的岔管水流流動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算。水頭損失系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同肋寬比下的水頭損失系數(shù)：(a)雙機(jī)發(fā)電，(b)單機(jī)發(fā)電

從圖3(b)曲線3、4中可以看出，當(dāng)XR從0.0增加到0.5時(shí)，水頭損失是逐漸增加的。這樣的規(guī)律與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是一致的，即肋板會(huì)導(dǎo)致水頭損失的增加，肋板越寬，水頭損失可能會(huì)越大。然而其他幾條曲線卻呈現(xiàn)了不同的規(guī)律。比如曲線1中的B1點(diǎn)，曲線2中的B2點(diǎn)，曲線5中的B5點(diǎn)，曲線6中的B6點(diǎn)，這些情況下的水頭損失系數(shù)比同等工況下的無肋板模型的水頭損失系數(shù)都要小。這說明在某些情況下，肋板起著引導(dǎo)水流或優(yōu)化流態(tài)的作用，從而可以減小一定的水頭損失。

將圖3中的曲線用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，形成的水頭損失系數(shù)與肋寬比之間的關(guān)系式如表1所示。

表1水頭損失系數(shù)與肋寬比之間的關(guān)系式

3.2 雙機(jī)發(fā)電工況下不同肋寬比(0.0～0.5)下的流態(tài)變化

為了更進(jìn)一步了解肋板對(duì)岔管水力特性的影響，本節(jié)以雙機(jī)發(fā)電工況為例，重點(diǎn)分析不同肋寬比下岔管的流態(tài)和壓力分布。

3.2.1 流態(tài)圖

圖4是肋寬比為0.0到0.5時(shí)岔管的流態(tài)和流速分布圖。從圖中可以看出，A管和C管的流速分布良好，但B管的流速分布不均勻，部分區(qū)域流線彎曲嚴(yán)重，存在回流現(xiàn)象。當(dāng)XR從0.0增加到0.5時(shí)，流態(tài)整體上還是基本保持一致，最大流動(dòng)速度有所減小。當(dāng)XR大于0.3時(shí)，A管和B管的交界處部分區(qū)域的水流受到了肋板的擾動(dòng)，流線發(fā)生了輕微的彎曲。整體上看，雙機(jī)發(fā)電工況下肋板對(duì)流態(tài)的影響并不是很明顯。

3.2.2 中心截面壓力分布圖

圖5是中心截面(XOY平面)的相對(duì)壓力分布圖(相對(duì)壓力的基準(zhǔn)值統(tǒng)一取為0Pa)。從圖中可以看出，最大壓力發(fā)生在B管的右側(cè)，最小壓力發(fā)生在B管的左側(cè)。與無肋板岔管相比，有肋板的岔管中最大壓力值減小了8%左右。當(dāng)XR從0.0增加到0.5時(shí)，發(fā)生在B管與C管交界處的低壓區(qū)面積逐漸減小，最終最小壓力值減小了10%左右。當(dāng)XR從0.0增加到0.2時(shí)，A管的流態(tài)有所改善，但XR大于0.3時(shí)，一個(gè)新的低壓區(qū)出現(xiàn)在肋板附近(如圖5(d)-(f))?？傮w上看，肋板的存在一定程度上減小了低壓區(qū)的面積，同時(shí)也沒有給岔管的流態(tài)帶來明顯的惡化。

圖4 雙機(jī)發(fā)電工況下的流態(tài)和流速分布(m·s-1)：(a)-(f)XR=0.0to0.5

圖5 雙機(jī)發(fā)電工況下中心截面的相對(duì)壓力分布(Pa)：(a)-(f)XR=0.0to0.5

3.3 不同工況下有無肋板的流態(tài)比較

為了進(jìn)一步分析有無肋板對(duì)岔管流態(tài)的影響，選取XR=0.0和XR=0.3兩種岔管模型，分析不同工況下的流動(dòng)特性。雙機(jī)發(fā)電工況下的流態(tài)和流速分布已經(jīng)在3.2節(jié)中討論過了，下面分析另外5種工況下岔管的流動(dòng)特征。

3.3.1 A機(jī)發(fā)電

圖6是A機(jī)發(fā)電工況下岔管的流態(tài)分布圖。從圖中可以看出，無肋板岔管的流態(tài)較好，流線較為平順和穩(wěn)定，流速分布均勻。但當(dāng)有肋板時(shí)，岔管肋板附近的水流受到了明顯擾動(dòng)，開始產(chǎn)生回流現(xiàn)象，流線也發(fā)生了彎曲和旋轉(zhuǎn)，且岔管內(nèi)的最大速度有所提高。

圖6 A機(jī)發(fā)電工況下的流態(tài)和流速分布(m·s-1)：

3.3.2 B機(jī)發(fā)電

B機(jī)發(fā)電工況下岔管的流態(tài)和流速分布見圖7。從圖中可以看出，B機(jī)發(fā)電工況下的流態(tài)要比A機(jī)發(fā)電工況下的流態(tài)稍差。有無肋板情況下岔管連接處均發(fā)生了一定的回流現(xiàn)象。當(dāng)有肋板時(shí)，岔管的水流受到了擾動(dòng)，部分流線開始旋轉(zhuǎn)，水流在經(jīng)過肋板的時(shí)候產(chǎn)生了旋流。雙機(jī)發(fā)電工況下岔管的流態(tài)要明顯好于單機(jī)發(fā)電工況。

圖7 B機(jī)發(fā)電工況下的流態(tài)和流速分布(m·s-1)：

4 結(jié)論

在采用引水式開發(fā)的工程項(xiàng)目中，引水系統(tǒng)末端往往需要布置承擔(dān)高內(nèi)壓的岔管，肋板這種內(nèi)加強(qiáng)梁的形式得到廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)能明顯提高強(qiáng)度，但是在美標(biāo)ASCE NO.79規(guī)范中認(rèn)為肋板會(huì)帶來水頭損失，但相關(guān)研究非常少。本文定義了肋寬比XR，基于此指標(biāo)提出了肋板的幾何描述形式。同時(shí)，針對(duì)塔貝拉水電站中大型岔管每種工況下不同肋寬比進(jìn)行了數(shù)值模擬，并擬合了各種工況下水頭損失系數(shù)和肋寬比的關(guān)系曲線。

計(jì)算結(jié)果表明，與通常的猜測(cè)不同，不是所有工況下，肋板的存在都會(huì)惡化流態(tài)，也不是越大的肋板就會(huì)產(chǎn)生越大的水頭損失。雖然單機(jī)發(fā)電等工況，大肋寬比確實(shí)阻礙了水流，帶來了水頭損失，但隨著肋板的大小不同和工況的不同，肋板有可能會(huì)降低水頭損失。事實(shí)上，合適的肋寬比使用在發(fā)電工況的流態(tài)時(shí)，能減小支管的回流區(qū)，降低流線的彎曲程度，從而降低水頭損失。因此，從水力學(xué)角度看，肋板這種內(nèi)加強(qiáng)形式是具有工程可行性的，只要選取合適的肋寬比，許多工況下兼具結(jié)構(gòu)和水力學(xué)兩方面的優(yōu)勢(shì)。