抽水蓄能電站進出水口水力性能優(yōu)化

高亞楠

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

1 概 述

抽水蓄能電站不同于常規(guī)水電站，其進水口與出水口合一，呈雙向運行，進出水口的水力特性較為復雜，入流時易產(chǎn)生渦旋、出流時各通道流速分布和流量分配不均勻。進出水口水頭損失的大小直接關(guān)系到電站的經(jīng)濟效益[1-3]，進出水口的水力性能研究一直以來都被設計者所關(guān)注。隨著計算流體動力學的進步和計算機硬件性能的不斷提高，三維數(shù)值模擬越來越精確，在水電站的設計、優(yōu)化中已得到廣泛應用，數(shù)值模擬技術(shù)己經(jīng)成為水電站開發(fā)、設計及優(yōu)化的有力工具[4-5]。本文采用三維數(shù)值模擬，對某抽水蓄能電站進出水口從流速分布、流量分配、水頭損失等方面進行水力性能優(yōu)化及對比研究，詳細分析各體型進出水口的流速不均勻系數(shù)、孔口流量分配系數(shù)、水頭損失系數(shù)，為類似優(yōu)化設計問題提供參考。

2 體型優(yōu)化設計

某抽水蓄能電站初步布置為：三洞六機布置，發(fā)電工況額定單機流量為57.8 m3/s，抽水工況單機最小揚程抽水流量為48.76 m3/s。上庫進出水口采用岸邊側(cè)式，3個進出水口體型相同，平行布置。每個進出水口的防渦梁段長10 m，共設5道防渦梁，斷面尺寸為1.0 m×1.5 m，梁間距1.0 m；設2個分流墩，將進出水口分成3孔，孔口尺寸為5.5 m×9.0 m，分流墩寬度為1.5 m，每孔凈寬5.5 m，分流墩墩頭迎水面為圓弧曲線；擴散段長34.5 m，平面為雙向?qū)ΨQ擴散，總擴散角24.212°，立面為單向擴散，頂板擴散角4.965°，起點凈空為3×5.5×9.0 m，末端凈空為4.7×6.0 m，邊墩、底板、分流墩厚均為1.5 m，頂板厚1.0 m，每個擴散段內(nèi)由3個分流墩分成3個流道，每個流道的擴散角均小于10°。

若按以上體型設計，雖滿足規(guī)范要求并符合推薦設置范圍，但水流流速分布仍不夠均勻、流場分布不夠平順。針對這種情況，擬采用三維數(shù)值模擬方法，局部優(yōu)化進出水口體型，以工程量調(diào)整少為標準，在局部調(diào)整后，對比分析哪種優(yōu)化體型的水力性能更優(yōu)。

擬優(yōu)化體型共3種，分別為：①體型一：中孔縮小為5 m；②體型二：中孔分流比由0.32升至0.34，墩尾間距為1.598 m；③體型三：分流墩尾部向上庫移動0.5 d=2.35 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 控制方程

紊流是黏性流體在一定條件下所產(chǎn)生的一種運動方式，因而描述黏性流體運動的Navier—Stokes方程適用于紊流。由于紊流運動的復雜性，試圖求解整個流場的全部流動細節(jié)既不經(jīng)濟也沒有可能，有意義的只是紊流的統(tǒng)計平均值。按雷諾的時間平均法簡要介紹紊流的連續(xù)方程和運動方程，不可壓縮流體的連續(xù)方程為：

不可壓縮流體的運動方程為：

計算選用由Launder Spalding提出的標準k-ε模型，是基于求解紊動能k和紊動擴散率ε的輸運方程而建立起來的半經(jīng)驗的紊流模型。紊動能k的輸運方程是由精確方程推導得到的，而紊動擴散率ε的輸運方程就存在著一定的近似處理。在推導標準k-ε模型的過程中，認為紊流是充分發(fā)展的，而且忽略了分子的粘性作用。

標準k-ε模型的輸運方程，紊動能k的輸運方程：

Gk+Gb-ρε+Sk

(3)

紊動擴散率ε的輸運方程：

3.2 邊界條件

在數(shù)值模擬計算過程中，各種紊流模型控制方程只有確定了合理的邊界條件，才可能計算出流場的解。本次計算采用單向流模擬進出水口的雙向流動，在正常蓄水位下，設置發(fā)電工況為速度進口、自定義的梯度壓力出口；抽水工況為速度進口、水庫斷面自由出流計算；無滑移壁面設定相應粗糙度；利用k-ε模型減小松弛系數(shù)迭代得到流場。對于自由液面采用剛蓋假定，設置對稱邊界條件近似模擬自由表面平緩、波動較小的水面。其它壁面邊界設為無滑移的固壁邊界條件。

數(shù)值模擬所建立的三維計算模型見圖1。

圖1 數(shù)模三維模型圖

4 計算結(jié)果對比分析

根據(jù)建立進出水口三維紊流數(shù)學模型，通過采用有限體積法對控制方程在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上離散，計算得出各體型的流場分布，并將水力性能優(yōu)化指標進行量化，對比分析如下：

4.1 流速不均勻系數(shù)

通過測定進出水口的流速分布，可判斷流速分布的均勻性，流速分布不均勻系數(shù)為斷面最大流速與平均流速的比值，表征斷面流速分布的均勻程度。通常要求攔污柵門槽處流速分布能夠滿足：抽水時流速分布不均勻系數(shù)不超過1.5，發(fā)電時流速分布不均勻系數(shù)不超過2.0。

斷面1、2、3分別位于攔污柵邊孔、中孔、邊孔門槽，通過對比計算，各體型進出水口流速不均勻度見圖2-圖3。

圖2 正常蓄水位發(fā)電工況

圖3 正常蓄水位抽水工況

較之原體型，中孔在體型改進下均呈現(xiàn)流速增大現(xiàn)象。其中，體型一改進后的中孔平均流速最大，不均勻系數(shù)最小；體型三的中孔平均流速較其余兩個體型增加最少，但不均勻系數(shù)卻是最大，這與縮短平方段分流墩的墩尾，不能更好引導水流通過收縮段有關(guān)；體型二的中孔平均流速增大幅度在3體型中位于適中位置，不均勻系數(shù)值也在兩者之間。中孔在抽水工況的平均流速最大值也出現(xiàn)在體型一，中孔不均勻系數(shù)最大值亦出現(xiàn)在體型三，體型二的參數(shù)值依舊適中，這與發(fā)電工況趨勢一致。

4.2 孔口流量分配系數(shù)

分流系數(shù)為某一流道的過流量與平均分流流量之間的比值，分流系數(shù)可表征水流在各孔流道之間分配均勻程度，一般情況下分流系數(shù)處在0.9～1.1之間。斷面1、2、3分別位于攔污柵后擴散段中部，分別為邊孔、中孔、邊孔流道斷面。進出水口孔口流量分配系數(shù)計算結(jié)果見圖4-圖5所示，綜合對比計算結(jié)果，比較之下體型二各孔道流量最為均勻。

圖4 正常蓄水位發(fā)電工況

圖5 正常蓄水位抽水工況

4.3 水頭損失及水頭損失系數(shù)

進出水口水頭損失主要為局部水頭損失，其水頭損失的大小是衡量進出水口水流條件優(yōu)劣指標。通過計算，體型二的水頭損失系數(shù)最小，雖然受水流紊動影響，擴散段近壁局部區(qū)域仍有回流發(fā)生，但和其它體型相比，水流流態(tài)已經(jīng)得到明顯改善。計算對比結(jié)果見表1。

表1 水頭損失系數(shù)

5 結(jié) 論

本文采用三維數(shù)值模擬方法優(yōu)化設計抽水蓄能電站的進出水口體型，分析不同優(yōu)化體型的水力性能，利用流速不均勻度、孔口流量分配、水頭損失等指標分析流場，評估不同體型的水力特性。通過與原體型計算結(jié)果對比得出，適當加大分流墩尾部的中孔間距可使得流速分布更均勻、水流擴散更為平穩(wěn)。在工程設計人員對抽水蓄能進出水口初步開展體型設計，考慮如何在滿足規(guī)范取值范圍內(nèi)優(yōu)化體型時，此優(yōu)化設計思路及方法可為水電工程設計人員遇到類似問題時提供一些參考。