水電站疊梁門進水口水力特性數值模擬研究

2023-01-30 08:30:42戴啟璠李晗玫

人民黃河 2023年1期

戴杰，戴啟璠，李晗玫

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

近年來，大型水利水電工程的興建與發展，在發揮經濟效益的同時也給生態環境帶來了不利影響［1］。壩體高、庫容大的工程建造特點，導致壩前庫區水體溫度具有明顯的垂向分層分布的特點［2］，下泄的底層低溫水對下游的生態系統及人民的生產生活造成了不利影響［3］。隨著綠色水電［4］、生態環境友好型水電站［5］等概念相繼提出，要求水電站既能兼顧重大水利工程多種功能的發揮，又能維護生物多樣性和生態健康［6］。因此，有必要采取有效的工程措施對下泄低溫水進行合理控制，其中疊梁門分層取水是大型水電站進水口設計［7］中應用最為廣泛、效果也較為明顯的方法。疊梁門分層取水可以通過調節疊梁門高度提取表層高溫水以提高下泄水溫，從而滿足維護下游生態環境和生物多樣性的需求［7］。采用疊梁門分層取水后壓縮了過流斷面，進水口流態發生顯著變化，這樣進水口的水力條件引起了研究者的高度重視。

目前，國內外學者針對疊梁門分層取水的課題已做了一定的研究。章晉雄等［8］通過水工模型試驗對錦屏水電站一級分層取水的水力參數進行分析，認為疊梁門頂流速具有上部流速小、下部流速大的特點。Forkel等［9］采用三維紊流模型對Bakun水電站進水口附近流場開展了研究，數值模擬結果與試驗數據吻合較好。高學平等［10］基于k－ε紊流模型，以數值模擬的手段對糯扎渡水電站的兩種進水口取水方案進行對比研究，確定了多層取水進水口的設計方案。鄭鐵剛等［11］通過三維數學模型和物理模型試驗對通倉型進水口開展了相關研究工作，提出了對稱運行原則，為水電站運行提供了參考。這些成果雖為本文研究提供了借鑒，但是在水電站進水口水力特性的基礎上提出疊梁門運行、布設的建議較少。因此，本研究以某分層取水水電站進水口為例，構建水動力數學模型，對不同疊梁門運行工況下的流速分布、水頭損失等水力特性進行分析研究，并結合庫區水溫分布規律提出了疊梁門運行、布設的相關建議，以期為類似工程提供參考。

1 數學模型及驗證

1.1 數學模型

1.1.1 紊流模型

連續性方程：

動量方程：

紊動能k方程：

紊動能耗散率ε方程：

式中：ρ為體積分數平均密度；u、v、w為在x、y、z三個方向上的流速分量；Ax、Ay、Az為x、y、z三個方向上可流動的面積分數；Gx、Gy、Gz為x、y、z三個方向上的重力加速度；fx、fy、fz為x、y、z三個方向上的黏滯力；VF為可流動的體積分數；p為作用在流體微元上的壓力；k為紊動能；ε為紊動能耗散率；μ為運動黏性系數；μt為紊動黏性系數其中Cμ為經驗常數（等于0.084 5）；σk、σε分別為湍動能和耗散率所對應的Prandtl數，取值均為1.39；Gk為紊動能k的產生項Eij＝、η0＝4.377、β＝0.012；Cε1、Cε2為經驗常數，分別為1.42、1.68。

1.1.2 計算域及網格劃分

按照水電站原型尺寸建立三維水動力數學模型，（見圖1），數學模型包括壩前庫區和疊梁門分層取水區域。水電站內部通倉區域設有橫梁、縱梁及聯系梁，整個計算域長度為219.5 m，其中壩前庫區長150 m。

圖1 研究區域示意

為了保證關鍵部位的計算精度和平衡計算域整體的計算量，計算域采用多塊網格技術進行劃分，對進水口內部的通倉區域采用精細的網格進行劃分（網格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m）；同時，為了降低上游邊界對核心計算區域的影響，采用稀疏的網格向計算域上游進行延伸（網格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m），總網格數為8 670 632個。

1.1.3 邊界條件

在計算中，上游入口設置為壓力邊界，同時根據庫水位附加水位邊界；下游出口根據發電流量及管道斷面設置為速度邊界；計算域上方設置為壓力邊界；計算域底部設置為壁面邊界；應用VOF法進行自由表面追蹤。

1.2 模型驗證

為了保證數學模型的準確性，本文選取攔污柵斷面流速的模擬值與實測值進行比較，以驗證該數學模型計算的合理性。驗證工況選取模型試驗中3層疊梁門、4臺機組全部開啟的工況進行分析（見表1中工況4）。圖2為斷面流速驗證圖，可以看出模擬值與實測值吻合度較高，僅部分測點存在偏差，可見該數學模型準確，模擬結果具有可信度。

圖2 斷面流速驗證

表1 計算工況參數

2 結果分析

分別對0層疊梁門工況和4種不同運行高度的疊梁門工況進行對比，采用4臺機組同時運行，使用與驗證工況中相同的邊界條件進行模擬，相關工況參數設定見表1。

2.1 流速剖面分析

圖3為不同疊梁門工況的進水口流線與流速分布示意圖。由圖3（a）可知，在不設置（0層）疊梁門時，水流從庫區進入攔污柵段、疊梁門段后進入壓力管道，流線層次分明、無交疊現象且較為平順。圖3（c）為1層疊梁門工況下2＃進水口流線與流速分布圖，可以看出，疊梁門的阻水作用迫使下層水流向上攀升，繞過疊梁門門頂后從進水口頂部進入有壓管道，并在進水口頂部形成局部高流速區，壓力管道中流速隨著流向不斷增大，最大流速可達5.5 m／s。圖3（e）為開啟3層疊梁門后的進水口流線與流速分布圖，設置3層疊梁門后，進水口的流態發生了較大的改變，第3層疊梁門門頂高程高于進水口上緣17 m，疊梁門門頂上方的過流通道不斷壓縮，門頂流速不斷加快，水流在疊梁門后部（24 m＜z＜30 m）及通倉區域頂部（50 m＜z＜55 m）出現了顯著的渦旋。

由圖3（b）、（d）可知，在0層、1層疊梁門工況下，僅在隔墩附近出現數量較少、尺度較小的渦旋。由圖3（f）可知，在3層疊梁門工況下，進水口附近的渦旋現象與之前的兩種工況有明顯差異，隨著疊梁門層數增加，門頂水深相應降低，在隔墩和進水口處均出現了渦旋，其渦旋強度和規模明顯增大，并呈對稱分布。

圖3 不同疊梁門工況的進水口流線與流速分布

2.2 門頂流速分析

門頂流速是決定水電站進水口流態的重要參數之一［12］，門頂流速差異過大，對整個計算域的水動力特征產生影響。由于進水室的通倉設置，4臺機組流道內均有水流通過，因此選取4臺機組流道的斷面為典型斷面進行分析。

圖4為4臺機組同時運行時，不同層數疊梁門工況下的門頂流速分布圖。各圖中縱坐標為疊梁門門頂高度，橫坐標為斷面流速值，在高度11、22、33、44 m位置附近流速接近0，這是靠近疊梁門聯系梁的阻流作用所致。

由圖4（a）可知，在開啟1層疊梁門的時候，存在4層流速峰值，每層流速峰值均出現在相應疊梁門門頂上方3～4 m處，其中底層（第1層）流速峰值約為2.2 m／s，約為第2層流速峰值的2倍，第3層、第4層的流速峰值相應遞減。圖4（b）～（d）分別為開啟2層、3層和4層疊梁門工況下的門頂流速分布圖，其分布特征與1層疊梁門工況相似，但是底層流速峰值不斷增大，其最大門頂流速分別為2.7、2.9、4.0 m／s。這表明隨著疊梁門層數的增加，頂部過流空間不斷被壓縮，門頂流速相應增大。因此，水流越過疊梁門后在通倉區域及進水口更容易產生渦旋，水流隨后在通倉區域內混合，形成更加復雜的水動力場，產生渦旋。在4臺機組全部運行的時候，各個流道內流速分布差異較小，尤其是1＃機組和4＃機組、2＃機組和3＃機組流道的流速分布基本一致，但是隨著疊梁門開啟層數的增加，各個機組斷面流速分布差異逐漸增大；如圖4（d）所示，4層疊梁門開啟的時候，差異最為明顯。綜上所述，隨著疊梁門門頂高度的增加，加劇了水流的紊亂程度。

圖4 不同工況下疊梁門門頂流速分布

2.3 水頭損失分析

加設疊梁門后，改變了水流的運動路徑，各段的水頭損失有不同程度增大，水頭損失過大，勢必會影響水電站發電效益，因此水頭損失也是分層取水式水電站的一個關鍵指標［13］。本文選取壩前庫區上游150 m為起始斷面，方圓漸變段后面的引水管道為終止斷面，計算了不同層數疊梁門工況下的總水頭損失，根據已有文獻［14］，采用伯努利方程計算：

式中：Z1為上游壩前庫區水位測點對應高程；Z2為下游引水管道斷面中心高程；v1為上游壩前庫區測點流速；v2為下游引水管道斷面中心平均流速；P1／γ為上游壩前庫區測點壓力水頭；P2／γ為下游引水管道斷面的平均壓力水頭；g為重力加速度；Δh為進水口水頭損失，Δh＝ξ（v22／2g），ξ為水頭損失系數。

不同層數疊梁門工況下的進水口水頭損失及系數見表2，在設置疊梁門運行后，水頭損失和水頭損失系數相對于0層疊梁門工況有顯著增大。

表2 不同機組組合運行水頭損失值及系數

由表2可知，0層、1層和2層疊梁門工況下的水頭損失分別為0.14、0.45、0.80 m，水頭損失隨著疊梁門高度增加明顯增大；3層、4層疊梁門工況下的水頭損失分別為0.92、1.03 m，在開啟2層疊梁門工況后，每增加1層疊梁門，水頭損失系數相對增大16%和10%，其增長趨勢明顯放緩。

為進一步研究疊梁門水頭損失與疊梁門開啟高度之間的關系，定義疊梁門相對高度為hG／D，其中D為進水口孔口高度，hG為疊梁門門頂高度；表3為疊梁門水頭損失系數與疊梁門相對高度的關系。由圖5可知，疊梁門開啟高度與進水口孔口高度之比約為1.4（hG／D≈1.4）是分層取水式電站水頭損失系數由急劇增大向緩慢增大的拐點；當hG／D＜1.4時，水電站進水口水頭損失系數顯著增大；當hG／D＞1.4時，進水口水頭損失系數增大速度明顯減緩。

表3 水頭損失系數與疊梁門相對高度的關系

圖5 疊梁門相對高度與疊梁門水頭損失系數關系圖

2.4 水庫水溫分布與疊梁門運行設定

圖6為某水電站壩前庫區多年平均垂向水溫分布圖。由圖6可知，夏季6—8月期間，隨著氣溫的升高，庫區表層水體在太陽輻射的影響下，溫度較高，在高度20～30 m范圍內形成溫躍層，庫區出現明顯的水溫分層現象，特別是7—8月，水體表層溫度達到26.6℃，為全年最高溫，垂向溫差也達到最大值，約為19.5℃。冬季12月、1月、2月期間，水體表層溫度下降，12月壩前庫區水體表層溫度約為4.4℃，其垂向溫差較小，約為0.7℃；1月、2月的庫區底層水體溫度維持在4℃左右，其垂向溫差約為4℃。