抽水蓄能電站上下庫進出水口數值模擬分析研究

摘要：

進/出水口是水電站引水建筑物的重要組成部分，其水力特性對于降低發電水頭損失至關重要。為了降低進/出水口進流和出流時，因為吸氣漩渦、逆向流等各種不利因素造成的水頭損失對發電效益的影響，利用三維數學模型進行數值分析，以進/出水口流態、各流道分流比、攔污柵斷面流速分布均勻性及水頭損失等作為主要評價指標，對安徽省石臺抽水蓄能電站上、下庫進/出水口布置與體型進行了驗證及優化，提出了推薦方案。結果表明：優化方案能有效改善進出水口的流態、流速不均勻系數和降低其水頭損失，① 推薦方案進/出水口進出流時各流道分流比為20.58%～30.45%，出流時為20.8%～27.91%，相鄰邊、中孔流道的流量不均勻程度均未超過10%，較為順暢，未見吸氣漩渦、強回流等不利流態，水流流態較好；② 各孔流道內水流流速、流道間流量分配均勻性較好，進/出水口進流時攔污柵斷面流速不均勻系數小于1.5，出流時小于2.0，滿足相關規程要求；③ 進/出水口進流時水頭損失系數0.28～0.30，出流時水頭損失系數0.44～0.46，均符合規范要求。研究結果可供類似工程設計人員參考。

關鍵詞：

數學模型； 流態； 分流比； 流速分布均勻性； 水頭損失； 石臺抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV743

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.015

文章編號：1006-0081（2025）01-0084-08

0 引 言

抽水蓄能電站的進/出水口設計對其運行效率至關重要。抽水蓄能電站進/出水口具有雙向過流、水位變化頻繁且變幅大、低水位淹沒深度較小等特點，相比常規水電站對水流流態要求更高［1］。正在運行的抽水蓄能電站中使用側式進/出水口的比例較大［2］，布置方式大部分采用二墩三孔或者三墩四孔。當水流以兩個流向通過進/出水口時，為了保證抽水蓄能電站的總效率，二者的水力損失都要保持在較低水平［3］。

相較于常規的水電站，抽水蓄能電站的進/出水口結構體型對電站運行的影響要更為明顯［4］。進出水口體型對水頭損失影響較大，與電站的運行效率和長期效益有著重要的關系［5］，其擴散段分流墩的布置應使各孔流道的過流量基本均勻［6］，以利于流態穩定，從而控制水頭損失。因此有必要對電站進/出口體型設計方案進行驗證與優化，提出較優進/出水口體型。國內外抽水蓄能電站進/出水口水力性能的研究，主要集中于水工模型試驗［5］，運用數值模擬的方法研究并不常見。隨著計算流體動力學理論的不斷完善和計算機算力的不斷提升，三維數值模擬結果更加精確，且具有操作方便、成本較低、計算快等特點，已經得到了廣泛運用［6-8］。盡管已有研究關注水流的穩定性，但實際運行中，流態的動態變化及其對水頭損失的具體影響尚未得到系統研究。已有文獻探討了進/出水口的流量分布對水頭損失的影響，但對不同布置方式下流量分布的具體機制和最優配置仍缺乏明確的科學解釋。

本文通過三維數值模擬方法，系統分析抽水蓄能電站進/出水口的水力性能，提出優化的設計方案。通過建立水流流態、流量分布和水頭損失等關鍵指標模型，解決當前設計中存在的不足，可為提升抽水蓄能電站的整體效率提供參考。

1 工程概況

安徽省石臺抽水蓄能電站地處皖南，屬Ⅰ等大（1）型工程，工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和開關站等建（構）筑物組成，開發任務為電網調峰、填谷、調頻、調相等。電站裝機容量1 200 MW，上、下水庫高差約480 m。上、下游輸水管道采用二機一洞的布置型式，上、下水庫電站進/出水口的水平距離約1 953 m，平均毛水頭差為474.5 m，距高比約4.1。

上水庫左右對稱布置2個岸塔式進/出水口，每個進/出水口均由引水前池、防渦梁段、擴散段、下方閘門井段、漸變段、長有壓管道段等組成；上水庫死水位720 m，正常蓄水位755 m。下水庫采用側向岸塔式布置左右對稱2個岸塔式進/出水口，除引水前池與有壓管道，進/出水口其他布置與體型與上庫一致，底板高程為223 m，下水庫死水位為238 m，正常蓄水位為268 m。

2 數值模擬

2.1 數學模型

利用水氣兩相k-ε紊流三維數學模型對進/出水口水流流場進行模擬［9-10］。

連續方程：

（ρui）xi=0（1）

動量方程：

ρuit+xjρuiuj=fi-pxi+xjμ+μtuixj+ujxi（2）

k方程：

ρκt+ρujκxi=xiμ+μtσκκxi+Cκ-ρε（3）

ε方程：

ρεt+ρujεxi=xiμ+μtσεεxi+C1εεκCk-C2ερε2κ（4）

式中：t為時間；ui，uj，xi，xj分別是速度分量和坐標分量，i，j分別為水平和豎直方向分量；μ，μt分別是動力黏性和紊流黏性系數；κ為紊流脈動動能，κ越大表明紊流脈動長度和時間長度越大；ε為紊流脈動動量的耗散率，ε越大則紊流脈動長度和時間尺度越小；μt=Cuρκ2/ε；p為壓力；fi為質量力；Cκ為平均速度梯度產生的紊動能項，Cκ=μtuixj+ujxiuixj；經驗常數Cu=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

王 科 等 抽水蓄能電站上下庫進出水口數值模擬分析研究

兩個壓力管道截面上分別設置兩個速度進/出口邊界，根據具體工況下隧洞流量對應的流速確定大小；將庫區模擬范圍的邊界面設置為一個壓力進/出口邊界，大小按照靜水壓力計算；自由液面使用剛蓋假定，壁面設置為無滑移條件。

2.2 模擬范圍

數值模擬范圍包括部分上庫庫區和下庫庫區，引水前池、攔沙坎、進/出水口及長度25倍管徑的壓力管道，如圖1所示。

網格劃分采用計算精度與效率均較高的六面體結構，沿水流方向設網格尺度0.1～1.0 m，水深方向0.1～0.3 m。庫區網格尺度略大，進/出水口尺度較小，上庫進/出水口網格約780萬個，下庫進/出水口約550萬個。

2.3 計算工況

上下庫進/出水口根據水流方向分為出流（發電）和進流（抽水），水位分正常蓄水位和死水位，共分為8種不同工況，各工況的計算條件如表1所示。

2.4 監測點與監測斷面布置

為分析進/出水口水力特性，設置若干水力參數的監測點與監測斷面，如圖2所示。參照進流方向，左、右進/出水口各孔流道定義為L1～L4、R1～R4。

流速測點布置：在攔污柵槽內布置8個測速斷面，依次為LS1～LS4、RS1～RS4，監測攔污柵斷面的平均流速與最大流速，計算流速的不均勻系數。每個斷面布置3條垂向測線，位于流道軸線及兩側，在每條測線上布置5個測點，測點到流道底板的距離依次為1.00，2.75，4.50，6.25，8.00 m。

流量監測斷面布置：在擴散段收縮斷面布置8個流量監測斷面，依次為LQ1～LQ4、RQ1～RQ4，監測各流道的分流量和流量分配。

水頭損失監測斷面布置：在漸變段下游1.5倍管徑處設置斷面LP-1、RP-1，監測斷面平均壓力，計算水頭損失。

3 原方案結果分析

3.1 原方案布置

上庫左右進/出水口均為3隔墩4流道布置，墩厚1.5 m，圓弧形墩尾厚0.5 m。防渦梁段底板高程為704.0 m，長度11 m，每孔流道寬5.0 m，高9.0 m，設4道防渦梁，斷面尺寸1 m×1.5 m（寬×高），間隔1 m；擴散段底板高程為704 m，長度40 m，斷面尺寸由22.5 m×10.0 m（寬×高）漸變至5 m×7 m（寬×高）；下方門井段底高程704 m，長度27 m，斷面尺寸5 m×7 m（寬×高）；漸變段長度12 m，斷面由5 m×7 m矩形漸變至直徑為6.5 m的圓形，原方案布置見圖3～4。

3.2 結果分析

計算得出死水位發電和抽水工況上庫進/出水口水頭損失，見表2，死水位發電與抽水工況各孔流道過流量見表3，攔污柵斷面流速分布見表4。

發電工況下，左右進/出水口4孔過流量較為對稱，同一進/出水口過流量與分流比呈邊孔流道略大、中孔流道稍小分布；抽水工況下流量與分流比基本呈邊孔流道小、中孔流道大分布。兩種工況的相鄰邊、中孔流道的流量不均勻程度均未超過10%，分流比滿足規范NB/T 10072-2018《抽水蓄能電站設計規范》要求（以下簡稱“規范”）。

兩種工況的攔污柵斷面流速分布均較為對稱，發電工況同一進/出水口，各孔流道攔污柵斷面流速呈頂小，中、底大分布；抽水工況呈頂小、底大分布。發電工況攔污柵斷面流速分布不均勻系數滿足規范中進流時宜小于1.5、出流時宜小于2.0，但在抽水工況流速分布不均勻系數為2.69～3.00，不滿足小于2.0的要求。

4 優化方案結果分析

4.1 上庫優化方案布置

將前池水平段長度由15 m延至40 m，調整后的

引水前池水平段底高程702.5 m，上接1∶4斜坡至高程707.5 m的平臺，再接1∶4的斜坡至高程718 m的庫底。保持進/出水口段總長度66 m不變，將下方閘門井段長度減小6 m而增設6 m調整段，將有壓管段底坡調整為8%。優化方案進/出水口布置與體型如圖5所示。

4.2 上庫研究成果

各工況水頭損失見表5。進/出水口水頭損失定義為庫水位斷面至漸變段下（上）游1.5倍管徑斷面之間的水頭損失。與原方案（表2）對比，可以發現在死水位發電和抽水工況下，優化方案的水頭損失均有所下降，下降幅度約為20%。

死水水位和正常蓄水位發電與抽水工況各孔流道過流量見表6～7。4種工況均表現為左右進/出水口4孔過流量左右較為對稱，同一進/出水口過流量與分流比呈邊孔流道大、中孔流道小的分布特征；各流道流量分配均勻，流量差小于10%，滿足規范要求。

死水位和正常蓄水位的發電與抽水工況斷面流速分布見表8～9。4種工況均表現為左右進/出水口4孔攔污柵斷面流速分布左右較為對稱，進流時不均勻系數小于1.5，出流時不超過2.0，滿足規范要求。

4.3 下庫優化方案布置

下庫進/出水口為3隔墩4流道布置，防渦梁段底板高程為223 m，長度11 m，防渦梁間隔1 m，斷面尺寸1 m×1.5 m（寬×高），每孔攔污柵斷面尺寸5 m×9 m（寬×高）；調整段底板高程為223 m，長度6 m；擴散段底板高程為223 m，長度40 m，斷面尺寸由24.5 m×9 m（寬×高）漸變至5.3 m×6.8 m；下方門井段底高程223 m，長度9 m，斷面尺寸5.3 m×6.8 m（寬×高），布置見圖6～8。

4.4 下庫研究成果

各工況下水頭損失見表10。與表5上庫計算結果對比可以發現，抽水工況下，上庫的水頭在死水位和正常蓄水位的水頭損失均大于下庫，均多0.11 m。但在發電工況下，兩種水位下的下庫水頭損失都比上庫多0.13 m。并且，上庫水頭損失在抽水工況下大于蓄水工況，而下庫則相反。

死水位抽水與發電兩種工況下各孔流道過流量均表現為左右進/出水口4孔過流量左右較為對稱，同一進/出水口過流量與分流比呈邊孔流道大、中孔流道小分布，流量分配較均勻，流量差小于10%，均滿足規范要求。

正常蓄水位運行時，在抽水工況下，左右進/出水口4孔過流量左右較為對稱，同一進/出水口過流量與分流比呈邊孔流道大、中孔流道小分布。發電工況下流量與分流比基本呈邊孔流道大、中孔流道小分布。兩種工況流量分配均勻，流量差均小于10%，滿足規范要求。

死水位和正常蓄水位抽水與發電4種工況下，左右進/出水口4孔攔污柵斷面流速分布均表現為左右

較為對稱；同一進/出水口，各流道攔污柵斷面流速呈上小、底大分布。不均勻系數進流時小于1.5，出流時小于2.0，滿足規范要求。

5 結果討論

結合上、下庫進/出水口原方案與優化方案的研究結果進行對比，原方案在死水位發電工況下，進水口水頭損失0.31 m，水頭損失系數0.31；死水位抽水工況下，出水口水頭損失0.39 m，水頭損失系數0.53。而優化方案死水位發電工況下，進/出水口水頭損失0.27 m，水頭損失系數0.28；死水位抽水工況下，進/出水口水頭損失0.32 m，水頭損失系數0.44。對比可知，優化方案在死水位發電和抽水工況下的水頭損失系數均有下降。

原方案在死水位發電工況下，攔污柵斷面平均流速0.72～0.91 m/s，最大流速0.93～1.22 m/s，流速分布不均勻系數1.29～1.36；抽水工況下，攔污柵斷面平均流速0.81～0.94 m/s，最大流速2.19～2.78 m/s，流速分布不均勻系數2.69～3.00，不滿足不均勻系數小于2.0的要求。而優化方案死水位發電工況下，攔污柵斷面平均流速0.68～0.98 m/s，最大流速0.96～1.39 m/s，流速分布不均勻系數1.38～1.40；抽水工況下，攔污柵斷面平均流速0.77～1.03 m/s，最大流速1.55～1.99 m/s，流速分布不均勻系數1.92～2.00，滿足規范要求。對比可知，優化方案在死水位發電工況的攔污柵斷面平均流速、最大流速和流速分布不均勻系數與原方案相差不大，但在抽水工況的最大流速和流速分布不均勻系數有較大的優化，解決了原方案攔污柵斷面流速分布均勻性不滿足規范的問題。

6 結 論

本文采用三維數學模型對安徽省石臺抽水蓄能電站上、下庫進/出水口布置與體型進行了驗證和優化研究，提出了上、下庫進/出水口體型的推薦方案，主要研究結論如下。

（1） 進/出水口進流時攔污柵斷面流速不均勻系數小于1.5，出流時小于2.0，攔污柵斷面流速分布均勻性滿足規范要求。

（2） 進/出水口進流時各流道分流比為20.58%～30.45%，出流時為20.8%～27.91%，相鄰邊、中孔流道的流量不均勻程度均未超過10%，分流比均滿足規范要求。

（3） 進/出水口進流時水頭損失系數0.28～0.30，出流時水頭損失系數0.44～0.46，滿足規范要求。

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（編輯：張 爽）

Numerical simulation analysis and research on inlet and outlet of upper and lower reservoirs of pumped storage power station

WANG Ke1，LI Jiaona1，ZHANG Chao2，PENG Xiang1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.The Administrative Office of the Gaiziku River Basin in Kashgar Prefecture，Kashgar 844099，China）

Abstract：

The inlet and outlet are pivotal elements of hydropower station water intake structures，and their hydraulic characteristics are essential for reducing head loss.To mitigate the impact of head loss caused by adverse factors such as air entrainment vortices and reverse flow during inflow and outflow，a three-dimensional mathematical model was utilized for numerical simulation and analysis.Key evaluation indicators encompassed the flow patterns at the inlet/outlet，the distribution ratio of flow among channels，the uniformity of flow velocity distribution at the trash rack cross-section，and head loss.This study validated and optimized the layout and geometry of the inlet and outlet for the upper and lower reservoirs of the Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province.A recommended scheme was proposed based on the findings.The results demonstrated that the optimized scheme significantly improved the flow conditions at the inlet and outlet，enhanced the uniformity of flow velocity，and reduced head loss.It was found that ① The distribution ratios of flow among channels during inflow and outflow were 20.58% to 30.45% and 20.8% to 27.91%，respectively.The flow uniformity of the adjacent edges and middle channel remained below 10%，indicating smooth flow conditions without adverse flow patterns such as air entrainment vortices or strong backflow.② The flow velocities within each channel and the distribution of flow between channels exhibited high uniformity，with the non-uniformity coefficient of the trash rack cross-section during inflow being below 1.5，and during outflow being less than 2.0，thus meeting relevant regulatory requirements.③ The head loss coefficients during inflow ranged from 0.28 to 0.30，and during outflow from 0.44 to 0.46，all complying with specifications.The research outcomes can serve as a reference for similar engineering projects design.

Key words：

mathematical model； flow pattern； diversion ratio； flow rate distribution uniformity； head loss； Shitai Pumped Storage Power Station