巴基斯坦塔貝拉水電站鋼岔管肋板的水力特性研究

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都，610072；2.長江勘測規劃設計研究院，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，1976年正式蓄水發電。

塔貝拉四期擴建項目是將原有的4號灌溉隧洞下游出口改建成發電壓力鋼管和發電廠房。壓力鋼管布置在原灌溉隧洞的出口挑坎區域，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電。

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

岔管初步設計方案為梁式岔管，由于梁式岔管外露梁尺寸大，施工困難，而內加強肋岔管是在三梁岔管的基礎上發展而來的一種岔管形式，它是一個完全嵌入管殼內的月牙形肋板U形梁(如圖1所示)。這種設計對岔管結構加強效果較好，并且能減小肋板外伸的寬度[1]，近年來在國內外水電工程岔管設計中得到工程師的青睞。

然而，肋板內伸的存在不可避免的會引起水流的擾動，引起岔管內流態的變化并帶來水頭損失。目前，國內外眾多學者對岔管水力特性進行了較為深入的研究[2-5]，然而這些文獻大都沒有涉及肋板或者單獨對肋板帶來的水力特性改變進行研究。本文以巴基斯坦塔貝拉水電站岔管肋板的設置為出發點，重點研究探討肋板對岔管水力特性的影響。

圖1 內加強肋板示意

2 計算模型與方法

2.1 參數定義

如圖1所示，肋板的外輪廓是兩個椎管相交形成的一條橢圓曲線，而內輪廓通常被選為一條拋物線，這樣就形成了一個月牙形狀的肋板。為了方便量化描述肋板的幾何特性，本文定義了一個參數：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度LH之比為肋寬比(XR)。

(1)

此外，對于水頭損失的定量描述，通常用水頭損失系數[6]來表達：

(2)

其中，下標i和j分別指相連的上下游兩段支管，連接處會產生水頭損失；下標M指主支管。

2.2 計算模型

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

根據電站實際運行情況，一共可分為3種運行工況：雙機發電、A機發電、B機發電。A機發電或B機發電又可稱為單機發電。3種工況下進出口邊界條件如圖2所示，進口為速度邊界，出口為壓力邊界，壁面為無滑移固定邊界。采用Realizable k-ε模型進行計算(該模型計算量適中、精度高且適用性好，在模擬強逆壓力梯度、射流擴散率、分離、回流、旋轉上有較高精度)。基于CFD通過FLUENT@軟件進行計算，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定對岔管的影響，主、支管段軸線長度從最大公切球球心向上、下游，結構計算大于最大公切球直徑的3倍，水力學計算大于10倍。為了保證模擬的準確性，計算之前進行了網格無關性分析，最終模型的網格數量大概在310萬到370萬之間。

3 結果分析

圖2 計算模型、邊界條件和工況

3.1 水頭損失

岔管水頭損失的大小會直接影響到電站的長期經濟效益，因此肋板的設置帶來的水頭損失必須嚴格控制。針對不同的肋寬比，進行了3種工況下的岔管水流流動數值模擬計算。水頭損失系數的計算結果如圖3所示。

圖3 不同肋寬比下的水頭損失系數：(a)雙機發電，(b)單機發電

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

將圖3中的曲線用多項式進行擬合，形成的水頭損失系數與肋寬比之間的關系式如表1所示。

表1水頭損失系數與肋寬比之間的關系式

3.2 雙機發電工況下不同肋寬比(0.0～0.5)下的流態變化

為了更進一步了解肋板對岔管水力特性的影響，本節以雙機發電工況為例，重點分析不同肋寬比下岔管的流態和壓力分布。

3.2.1 流態圖

圖4是肋寬比為0.0到0.5時岔管的流態和流速分布圖。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，部分區域流線彎曲嚴重，存在回流現象。當XR從0.0增加到0.5時，流態整體上還是基本保持一致，最大流動速度有所減小。當XR大于0.3時，A管和B管的交界處部分區域的水流受到了肋板的擾動，流線發生了輕微的彎曲。整體上看，雙機發電工況下肋板對流態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)的相對壓力分布圖(相對壓力的基準值統一取為0Pa)。從圖中可以看出，最大壓力發生在B管的右側，最小壓力發生在B管的左側。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XR從0.0增加到0.5時，發生在B管與C管交界處的低壓區面積逐漸減小，最終最小壓力值減小了10%左右。當XR從0.0增加到0.2時，A管的流態有所改善，但XR大于0.3時，一個新的低壓區出現在肋板附近(如圖5(d)-(f))。總體上看，肋板的存在一定程度上減小了低壓區的面積，同時也沒有給岔管的流態帶來明顯的惡化。

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

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

3.3 不同工況下有無肋板的流態比較

為了進一步分析有無肋板對岔管流態的影響，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特性。雙機發電工況下的流態和流速分布已經在3.2節中討論過了，下面分析另外5種工況下岔管的流動特征。

3.3.1 A機發電

圖6是A機發電工況下岔管的流態分布圖。從圖中可以看出，無肋板岔管的流態較好，流線較為平順和穩定，流速分布均勻。但當有肋板時，岔管肋板附近的水流受到了明顯擾動，開始產生回流現象，流線也發生了彎曲和旋轉，且岔管內的最大速度有所提高。

圖6 A機發電工況下的流態和流速分布(m·s-1)：

3.3.2 B機發電

B機發電工況下岔管的流態和流速分布見圖7。從圖中可以看出，B機發電工況下的流態要比A機發電工況下的流態稍差。有無肋板情況下岔管連接處均發生了一定的回流現象。當有肋板時，岔管的水流受到了擾動，部分流線開始旋轉，水流在經過肋板的時候產生了旋流。雙機發電工況下岔管的流態要明顯好于單機發電工況。

圖7 B機發電工況下的流態和流速分布(m·s-1)：

4 結論

在采用引水式開發的工程項目中，引水系統末端往往需要布置承擔高內壓的岔管，肋板這種內加強梁的形式得到廣泛的應用。這種結構能明顯提高強度，但是在美標ASCE NO.79規范中認為肋板會帶來水頭損失，但相關研究非常少。本文定義了肋寬比XR，基于此指標提出了肋板的幾何描述形式。同時，針對塔貝拉水電站中大型岔管每種工況下不同肋寬比進行了數值模擬，并擬合了各種工況下水頭損失系數和肋寬比的關系曲線。

計算結果表明，與通常的猜測不同，不是所有工況下，肋板的存在都會惡化流態，也不是越大的肋板就會產生越大的水頭損失。雖然單機發電等工況，大肋寬比確實阻礙了水流，帶來了水頭損失，但隨著肋板的大小不同和工況的不同，肋板有可能會降低水頭損失。事實上，合適的肋寬比使用在發電工況的流態時，能減小支管的回流區，降低流線的彎曲程度，從而降低水頭損失。因此，從水力學角度看，肋板這種內加強形式是具有工程可行性的，只要選取合適的肋寬比，許多工況下兼具結構和水力學兩方面的優勢。