某電站庫區流場的三維數值模擬

葉 茂,黃武林,呂海艷

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

隨著一批中大型電站的陸續興建,水庫的規模不斷擴大,庫區過水建筑物的數量也不斷增多,如導流洞、泄洪洞、溢洪道、放空洞和引水洞進口,部分工程甚至包括魚道出口。各建筑物進口入流是否平順,相互之間是否存在影響,是需要研究的一個課題。一直以來,模型試驗是主要的研究手段,近年來,部分學者嘗試引入數值模擬作為試驗的補充,以求得到流場的全域特性。魏根群等[1]采用二維水深平均方程組作為控制方程,運用有限體積法對水庫非恒定流場進行了計算;管儀慶等[2]采用二維數學模型對閑林水庫的流場進行了研究,得出了庫區的水動力特性;馬方凱等[3]采用三維不可壓 N-S方程對三峽水庫近壩區進行了計算,得出了壩前水域的三維流場及溫度場。

庫區流場的三維數值模擬具有計算區域大、天然地形建體復雜、網格劃分難度高的特點,目前研究成果較少。本文所研究的電站庫區較為寬闊,在 1∶10的物理模型上難以模擬整個壩前的水流流態,因此引入數值模擬作為模型試驗的補充,以使流場的數據更加完善。

2 工程概況

某電站樞紐由黏土心墻土石壩、引水建筑物、表孔溢洪道和底孔泄洪洞、廠區建筑物組成,引水及泄洪建筑物布置在河床右岸,廠區建筑物布置于右岸壩后。根據魚類資源狀況及電站建設對其產生的影響,該工程需修建半洄游性魚類魚道,過魚時間為每年的 3月下旬至 7月,此時水庫的運行水位為4312.5～4310.0m,消落深度為 2.5m。魚道采用兩個出口,均布置在庫區右岸。1號出口在庫水位4310.0～4311.3m時運行,閘室布置于壩軸線上游約 76m,底板高程為 4309.5m;2號出口在庫水位4311.3～4312.5m時運行,閘室布置于壩軸線上游約 115m,底板高程為 4310.8m。由于 1號出口距電站進口僅 30m,故本文重點研究電站運行對 1號出口流場的影響。

3 數值模擬

數值模擬采用原型數據,以 FLUENT軟件作為模擬工具。計算選用 Standard k-ε紊流模型,固壁邊界處理采用壁面函數法,偏微分方程離散采用有限體積法,動量、紊動能和紊動耗散率插值采用二階迎風格式。

數值模擬主要對水位 4311.3m時庫區流場進行計算,其中電站進口的流量包括 8.55m3/s(1臺機)、17.10m3/s(2臺機)和 25.65m3/s(3臺機)三種情況。

3.1 計算區域及邊界條件

計算區域包括庫區地形、電站進口和魚道出口,如圖 1所示。圖中 x坐標與壩軸線垂直,以壩軸線右岸控制點作為 xy平面的坐標原點,z坐標代表高程。庫區地形總長約 260.0m,寬度為 340.0～370.0m,高程為 4288.0～4312.5m。

圖1 計算區域及網格劃分

天然地形的建體是建模的難點之一,如果在GAMBIT中采用逐一輸點、點連成線、線形成面、面構成體的方法,將是一項相當繁瑣的工作,而且容易出錯。為了提高建體的效率和準確性,先采用 AUTOLISP語言對 AUTOCAD進行二次開發,從電子地形圖中讀出斷面資料,并生成數據文件,然后采用FORTRAN語言對斷面數據進行編程處理,產生與GAMBIT所對應的 JOURNAUL語句,讀入 GAMBIT,即可完成天然地形的建體工作。

邊界條件設置如下:(1)上游來流斷面采用速度進口邊界,以保證入流量為一恒定值;(2)電站進口和魚道出口為出流斷面,采用速度出口邊界,以保證出流恒定;(3)庫區地形和魚道出口引渠均采用固壁邊界。

3.2 網格劃分

網格劃分采用混合網格,包括結構化和非結構化兩種類型。非結構化網格雖然易于構造,但計算的穩定性不如結構化網格;在網格節點間距相同的情況下,網格數量遠多于結構化網格,計算時間也較長;所以在劃分網格時應優先選用結構化網格。除魚道出口引渠與天然地形銜接處采用非結構化網格外,其余區域均為結構化網格。網格劃分如圖 1所示。由于受計算機性能的限制,網格單元總數應控制在一定數量,因此采用重點部位加密、一般部位放寬的原則進行網格劃分。電站進口至魚道出口區域是數值模擬較為關心之處,網格較密,節點間距為2.0m;其余地方網格較稀,節點間距為 4.0m。計算區域網格單元總數約 10萬個。

3.3 結果分析

本文將計算結果與試驗數據進行了對比分析。試驗采用 1∶10的正態模型,由于庫區的模型流速為毫米量級,常規的測速儀器無法滿足精度要求,故采用挪威生產的小威龍測速儀(VECTRINO VELOCIMETER)。庫水位 4311.3m及電站進口過流17.10m3/s時水面和水下 3.3m兩個平面的流場分布見圖2和圖 3。

由圖 2、3可見,計算流場與模型試驗實測結果較為吻合。電站進口和魚道出口聯合過流時,庫區流場近似雙點匯分布,電站進口和魚道出口外流速迅速衰減。計算表明,電站進口斷面在兩個平面上的流速分別為 0.08m/s和 0.18m/s,半徑 7m范圍以外流速已降至 0.05m/s;魚道 1號出口距電站進口約 30m,流速僅為 0.01m/s～0.02m/s。實測流速普遍高于計算值,1號出口流速為 0.03m/s～0.04m/s,這是因為試驗模型只包括一半寬度的庫區范圍,過水面積減小使流速偏大。電站進口斷面的流速分別為 0.06m/s和 0.08m/s,水下 3.3m平面明顯小于計算值,這是因為試驗時在電站進口以后采用局開方式控制流量,主流區位于進口底板附近,而計算時采用全開方式,故試驗得出的進口底板以上的流速偏小。

圖2 電站進口過流 17.10m3/s時水面流場對比

圖3 電站進口過流 17.10m 3/s時水下 3.3m平面流場對比

電站進口過流 25.65m3/s時水面和電站進口中心高程兩個平面的流場分布見圖4。

由計算結果可知,即使 3臺機組全部運行,電站進口斷面在兩個平面上的流速分別為 0.11m/s和0.74m/s,半徑 10m范圍以外的流速已降至 0.05 m/s,魚道出口流速僅為 0.01～0.03m/s。可見,電站進口中心前的流速小于 0.8m/s,魚類被電站進口吸入的可能性較小,電站運行對魚道出口的流場基本沒有影響。

圖4 電站進口過流25.65m3/s時平面流場

4 結 語

本文采用 FLUENT軟件對庫區三維流場進行模擬,其中天然地形建體采用 AUTOLISP和 FORTRAN軟件編程處理,網格劃分采用重點部位加密、一般部位放寬的原則生成以結構化網格為主、非結構化網格為輔的混合網格。數值模擬重點研究電站運行對魚道 1號出口流場的影響,計算結果與模型試驗數據吻合較好,表明對庫區流場進行三維數值模擬是可行的,同時也說明物理模型截取的范圍是合適的。數值模擬具有成本低、耗時少和無儀器干擾的優點,可作為模型試驗的有力補充,使流場數據更加完善。

[1]魏根群,陳壁宏,宿曉輝.反調節水庫非恒定流數值模擬[J].水科學進展,2001,12(4):491-498.

[2]管儀慶,張丹蓉,陳丕翔,等.閑林水庫水動力特性模擬研究[J].水利學報,2007(10):293-298.

[3]馬方凱,江春波,李凱.三峽水庫近壩區三維流場及溫度場的數值模擬[J].水利水電科技進展,2007,27(3):17-20.