水電站沉沙池水沙運動規(guī)律模擬

洪振國，劉俊華，高 嵐

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

0 引 言

在水利水電工程中，利用沉沙池降低含沙水流的流速、使泥沙沉降的有效措施，應用十分廣泛。沉沙池沉沙的主要原理為：含沙水流進入沉沙池后，流速顯著降低，挾沙能力降低，泥沙沉降，水流澄清，從而改變了原有水流泥沙運動的狀態(tài)，降低泥沙對水輪機的磨損[1]。因此，研究沉沙池的流場分布非常重要，沉沙池運行效果的關鍵因素是沉沙池的流場分布。本文采用Fluent數(shù)值計算模擬沉沙池內的水流流態(tài)和水沙運動規(guī)律，并采用物理模型試驗論證Fluent數(shù)值計算模擬水沙運動規(guī)律可行性，對于其他工程有一定參考作用。

1 工程概況

綠水溏水電站位于紅河州開遠市中和營鄉(xiāng)，是以發(fā)電為單一任務、徑流式開發(fā)的高水頭電站。主要建筑物由取水口、沉沙池、引水渠道、壓力前池及泄水道、壓力管道、電站廠房組成[2]。水電站裝機5 500 kW，引水流量1.72 m3/s，設計水頭410 m，河道多年平均泥沙總量2.31萬t，懸移質沙量1.92萬t，推移質沙量0.39萬t，沉沙池排除的泥沙最小危害粒徑為0.25 mm。河水泥沙資料見表1。

表1 河水泥沙資料

沉沙池由首部擴散段、池身段、出水室及沖沙閘室、沖沙泄水道等部分組成[3]，沉沙池總長52 m。沉沙池首部擴散段與引水明渠相連接，長12 m，渠道斷面寬度由2 m擴散為7 m，底坡i=0.093 3，底板高程由1 346.942 m降至1 345.822 m。沉沙池池身長40 m，寬7 m，底坡i=1%。出水室及沖沙閘室長6.5 m，側向進水，正向沖沙[4]。出水室底板高程346.804 m，沖砂閘室板高程1 345.3 m。由于沉沙池緊接取水口，故不設進口工作閘門，僅在沖沙道入口設立一道1 m×1 m平板沖沙閘門。沖沙泄水道斷面尺寸1.2 m×1.5 m，長17.7 m，底坡為i=1%。引至綠水溏河。

2 Fluent數(shù)值計算

本文采用Fluent數(shù)值計算模擬沉沙池的水流泥沙運動規(guī)律[5-6]，建立二維水流的紊流模型，采用控制體積法進行離散，對流函采用上風差分格式，對流量方程采用有限分析五點格式進行離散。網格劃分用交錯網格技術，最后采用高斯—塞德爾迭代與三對角矩陣相結合的方法求解方程組。

2.1 控制方程

水流連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

紊動能方程

(3)

紊動能耗散率方程

(4)

式中，ui(i=1，2)為沿i方向的速度分量；xj為(j=1，2)為坐標系j方向的坐標；fi為沿i方向的質量力；p為壓力；xi為(i=1，2)為坐標系i方向的坐標；v為水的運動粘性系數(shù)；vi為水沿i方向的運動粘性系數(shù)；uj(j=1，2)為沿j方向的速度分量；k為固體壁面紊動動能；vt為渦粘系數(shù)；σk為常數(shù)，σk=1.0；Pr為紊動能生成率；ε為固體壁面紊動耗散率；σε為常數(shù)，σε=1.3；Cε1為常數(shù)，Cε1=1.44；Cε2為常數(shù)，Cε2=1.92。

2.2 邊界條件

根據流量和橫截面尺寸計算沉沙池入口處的平均流速，其來流速度在垂直方向上呈對數(shù)分布。流場的出口近似按靜水壓力分布邊界條件，流場在固壁上近似按無滑移邊界條件，同時采用壁面函數(shù)法，計算固壁處的摩阻流速。流場表面為自由水面，速度和紊動動能均可視為對稱平面處理，求紊動能耗散率。其他參數(shù)與試驗的模型結構圖(見圖1)一致。

圖1 沉沙池模型試驗結構

2.3 網格的生成

模型進行計算網格劃分，利用坐標網格創(chuàng)建節(jié)點，在2個節(jié)點之間創(chuàng)建直線，由邊創(chuàng)建面；然后對各邊定義網格節(jié)點的分布，在面上創(chuàng)建網格；在沉沙池的計算區(qū)域內共布置320×50個網格，網格形式為非正交結構四邊形網格，為了能很好地模擬進水流態(tài)，在進口處網格較密，由于沉沙池內水流較為平緩，整個區(qū)域網格較為均勻。

3 物理模型試驗

模型按重力相似準則設計，沉沙池物理模型采用有機玻璃制作。為正確模擬出沉沙池水沙運動規(guī)律，模型設計上采用正態(tài)模型，進而避免幾何變態(tài)模型造成的建筑物扭曲，保證各向水流流速分布相似。模型試驗流量由直角三角堰測量，水位采用測針測量，流速采用電磁流速儀測量，含沙量采用自制的虹吸式采樣器采集渾水，然后用烘干法測量。物理模型比尺20∶1，流量比尺20∶1，流速比2.5，糙率比1.5，粒徑比2.5，含沙量比2.5。沉沙池池長、寬度、底坡與數(shù)學模型的一致，模型沙選配主要考慮與泥沙沉降相似、泥沙起動相似進而確定懸移質沙粒徑比尺和含沙量比尺，本試驗模型選用粉煤灰作為模型沙。

沉沙池測點網格平面布置見圖2。坐標系原點設為0點，軸坐標系橫向設為x軸 ，縱向設為y軸。沿沉沙池工作段縱向選定了C1～C5共5個測量斷面，兩個相鄰斷面間距10 m。根據各測量斷面的不同水深布置水平測線，分別在近水面、水面以下0.8 m、水面以下1.6 m、水面以下2.4 m處布置水平測線，每條測線布設5個測點，間距1.75 m。

圖2 模型沉沙池測點網格平面布置

4 結果與分析

經過沉沙池數(shù)學計算和物理模型試驗，得到縱向平均流速沿程分布，如圖3所示。

圖3 縱向平均流速沿程分布

由圖3可知，縱向平均流速沿程呈現(xiàn)較大脈動衰減，前面流速波動較大，后面流速波動較小，縱向平均流速沿縱向分布越均勻，流場分布也越均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結構設計是合理的。縱向平均流速沿程數(shù)學計算值與物理試驗值相差較小，因此物理模型試驗驗證了由數(shù)學模型計算模擬沉沙池縱向平均流速是可行的。

經過沉沙池數(shù)學計算和物理模型試驗，得到C3斷面橫向平均流速分布情況如圖4所示。

圖4 橫向流速分布情況

由圖4可知，受沉沙池邊壁影響，水流的橫向流速呈正態(tài)分布，主流偏向沉沙池內側，流速呈現(xiàn)左右側流速小，中間較大，外內側流速差值較小，水流擴散充分，橫向流速分布均勻，橫向流場分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結構設計是合理的。橫向流速沿程數(shù)學計算值與物理試驗值相差較小，物理模型試驗驗證了由數(shù)學模型計算模擬橫向流速是可行的。

經過沉沙池數(shù)學計算和物理模型試驗，得到縱向泥沙含量沿程分布情況如圖5所示。

圖5 縱向泥沙含量沿程的分布

綜合圖3～5可知，水流經首部擴散段后，隨著過流斷面沿程擴大，流速沿程遞減，流場沿程遞減，水流挾沙能力降低，泥沙逐漸沉落；縱向平均流速分布越均勻，流場分布也越均分布，橫向流速分布越均勻，橫向流場分布越均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降。因此，縱向沉沙池沉沙效率增加，縱向泥沙含量減小，泥沙的水輪機磨損維修費減少。泥沙含量沿程數(shù)學計算值與物理試驗值相差較小，物理模型試驗驗證了由數(shù)學模型計算模擬縱向泥沙含量是可行的。

5 結 論

(1)縱向平均流速沿程呈現(xiàn)較大脈動衰減，前面流速波動較大，后面流速波動較小，縱向平均流速沿縱向分布越均勻，流場分布也越均勻，水流的橫向流速呈現(xiàn)正態(tài)分布形態(tài)，主流偏向沉沙池內側，流速呈現(xiàn)左右側流速小，中間較大，內外側流速差值較小，水流得到充分擴散，橫向流速分布均勻，橫向流場分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結構設計是合理的。

(2)沉沙池流速沿程遞減，流場沿程遞減，水流挾沙能力降低，泥沙逐漸沉落。縱向平均流速分布均勻，流場分布均勻；橫向流速分布均勻，橫向流場分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降。因此縱向沉沙池沉沙效率增加，縱向泥沙含量減小，水輪機磨損維修費減少。泥沙含量沿程數(shù)學計算值與物理試驗值相差較小，物理模型試驗驗證了由數(shù)學計算模擬縱向泥沙含量是可行的。

(3)本文建立二維水流的紊流模型，采用Fluent數(shù)值計算模擬沉沙池內的水流流態(tài)和泥沙運動規(guī)律，該方法有助于提高沉沙池設計的準確性和合理性。