抽水蓄能电站侧式进出水口体型优化的数值模拟

熊保锋

摘 要：为了对抽水蓄能电站进出水口体型进行优化，该文应用三维水力学数值模拟方法，对某抽水蓄能电站进出水口在不同工况下的流速分布、流量分配等水流特性进行了研究。结果表明，拦污栅断面流速不均匀系数和各流道流量分配系数不满足要求。针对抽水蓄能电站水位变化幅度大，在发电和抽水工况下水流方向相反的特点，对原设计体型进行了优化，使各项水力参数达到比较理想的效果，成功地解决了抽水蓄能电站侧式进出水口进出流时流态分布不均匀的难题。

关键词：抽蓄 侧式进出水口 体型优化 数值模拟

中图分类号：TV131 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0062-05

Abstract：To optimize pump storage plant structure， 3D numerical simulation of water flow was carried out for the design of a pump storage plant to study on flow characteristics such as the velocity and quality distribution. The results showed that nonuniform coefficient of velocity and coefficient of flow distribution did not satisfy the requirement. Because the water level in the reservoir of pumped storage plants changes within a large range and the water in the inlet-outlet flows in two directions， the primary shape is successfully optimized so as to make the hydraulic parameters better， the problems of lateral short inlet/ outlet of pumped-storage plant in which flow velocity and flow distribution is asymmetric and are all resolved.

Key Words：Pumped storage plants； Lateral inlet/outlet； Structure optimization； 3D numerical modeling

抽水蓄能电站因调峰运行的特点，上、下水库都需要一定的调峰库容，一般布置成有压进出水口。抽蓄电站进出水口既要适应水流双向流动，又要适应水库水位骤降变化，与常规水电站进水口相比，它的构造和设计有如下主要特点：（1）由于水流双向运动，因此体型轮廓设计要求更为严格。进水时要逐渐收缩，出水时应逐渐扩散，全断面上流速尽量均匀，不发生回流、脱流、吸气旋涡。（2）由于发电和抽水时均要过水，因此水头损失尽可能小[1-8]。

1 工程概况

某抽蓄输水系统主要建筑物包括上库进出水口、上库事故闸门井、引水洞及钢岔管、尾水支管、尾水岔管、尾水调压室、尾水隧洞、下库进出水口等。引水系统和尾水系统均采用两洞四机布置，共分两个水力单元。上、下库进出水口之间输水系统总长约2.2 km，其中引水系统长约1 300 m，尾水系统长约900 m。下水库校核洪水位231.04 m，设计洪水位230.87 m，正常蓄水位225.00 m，死水位203.00 m。下库进出水口原设计平剖面结构布置见图1、图2，原设计体型分流墩孔口比为0.22∶0.28，上游隧洞底坡9.04%，流道扩散段底平，上部扩散角4.879°。

下库进出水口典型计算工况见表1，发电工况为下库进出水口出流，抽水工况为下库进出水口进流。尾水隧洞为两洞四机布置。

为保证给各流道配水均匀，并防止拦污栅振动，抽蓄进出水口体型设计需满足如下两条要求。

（1）流速不均匀系数：进出口水口各流道拦污栅断面的流速分布不均匀系数为断面最大流速与平均流速的比值，表征断面流速分布的均勻程度。为防止拦污栅振动，通常要求拦污栅门槽处流速分布能够满足流速分布不均匀系数不超过2.0[9]。

（2）孔口流量分配系数：进出水口各流道分流系数为某一流道的过流量与平均分流流量之间的比值，分流系数可表征水流在各孔流道之间分配均匀程度。一般要求各孔流道的过流量均布均匀，分流系数处在0.9～1.1之间[10]。

2 数学模型建立

流经下库进出水口的水流为紊流，此研究采用紊流数学模型[11]，连续方程、动量方程和、方程可分别表示如下：

下库单体进出水口数值计算时水库模拟范围120 m×120 m，上游隧洞模拟长度120 m，分流墩及防涡梁部位建模见图3。发电时顺水流方向从左到右将下库进出水口4个流道依次编号为1#～4#流道。上游隧洞断面由稳定状态下的流量确定进出流速度，水库断面给定相应库水位。

所有流体计算区域均采用六面体网格，网格尺度0.1～1.5 m，边壁设置为无滑移固体壁面条件，对靠近壁面的第一层网格节点采用考虑壁面粗糙度影响的壁函数法处理。流道部分网格划分见图4。由于拦污栅结构和主体部分几何尺寸相差较大，网格划分困难，该计算模型未考虑拦污栅。

3 计算结果分析

3.1 原设计体型的数值分析

通过对原设计体型发电、抽水工况进行数值模拟，有如下结果。

（1）流速不均匀系数：抽水工况（进流）时流速不均匀系数介于1.06～1.20，满足要求；发电工况（出流）时流速不均匀系数介于1.91～2.39，中间两个流道（2#、3#流道）的流速不均匀系数较两侧流道（1#、4#流道）大，中间流道的流速不均匀系数大于2.0，不满足要求。

（2）孔口流量分配系数：除死水位抽水工况（进流）时的各孔流量分配系数不在（0.9～1.1）之间，其余工况均在（0.9～1.1）之间。

以正常蓄水位为例，拦污栅断面流速分布云图见图5，由图5可见，拦污栅断面流速均匀性较差。

3.2 优化体型的数值分析

经过对比大量体型的计算分析得出，进出水口各流道的流量分配系数及拦污栅断面流速不均匀系数与流道分流墩处的孔口比、上游隧洞底坡、扩散段体型关系密切。优化体型在原设计体型基础上做了如下修改，调整后的平剖面布置图见图6、图7。

（1）分流墩孔口比由0.22∶0.28调整为0.24∶0.26，即孔口宽度由1.38 m、1.62 m调整为1.44 m、1.56 m。

（2）将扩散段体型调整为四向扩散，竖直方向上下扩散角4.908°，水平方向扩散角度维持原设计不变。

（3）将上游隧洞由底坡由9.04%调整为平坡。

3.2.1 流速不均匀系数

优化体型的拦污栅断面流速不均匀系数见表2，发电工况下2#、3#流道拦污栅中心线流速不均匀系数最大为1.98。抽水工况下拦污栅断面流速不均匀系数最大为1.12。该计算是在未考虑拦污栅的前提下进行的，而参考类似工程经验考虑拦污栅对水流的均化作用，拦污栅的存在一般能使拦污栅断面处的流速不均匀系数降低0.2左右，故该体型拦污栅断面流速不均匀系数满足要求。

各工况下拦污栅断面中心线流速分布曲线图见图8。

3.2.2 孔口流量分配系数

針对优化体型，取流道分流墩变截面处的流量，并计算得出各流道的分流比及分流系数，见表3。发电及抽水工况下各流道的分流较均匀，分流系数均在0.9～1.1区间，满足要求。

注：流量断面位置说明：取1#孔（边孔）、2#孔（中孔）、3#孔（中孔）、4#孔（边孔）流道分流墩变截面处。

3.2.3 流场分析

发电和抽水工况下的拦污栅断面流速分布云图见图9。发电工况下拦污栅断面水流分布均匀性较原设计体型得到明显改善，但中间和两侧流道的流速分布差别依然较明显。抽水工况下中间两个流道流速分布均匀，两侧流道的流速分布均匀性较中间流道差，发电和抽水工况下拦污栅断面没有反向流速区。

抽水和发电工况均没未发现有害回流及环流，水面波动小，进出水口附近未产生有害旋涡。抽水工况下的淹没深度满足要求，消涡梁的设置能够明显地削弱回流等不良流态，未见表面旋涡，有利于进出水口水动力条件的改善。

各工况下，所取断面无负压发生，沿程压力自进出水口向上游逐渐增加，变化过程平顺，无突变现象。

4 结语

通过上述侧式进出水口的三维数值模拟，成功地对原设计体型进行了优化。优化后的体型各流道流量均匀，拦污栅断面流量分布均匀，解决了抽水蓄能电站侧式进出水口进出流时流态分布不均匀的难题，提供了可供借鉴的侧式进出水口的设计优化经验。

参考文献

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[2] 杨小亭，张强，邓朝晖.抽水蓄能电站进出水口模型试验[J].武汉大学学报：工学版，2007（1）：66-68.

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[10] DL/T5208-2005，抽水蓄能电站设计导则[S].2005.

[11] 金忠青.N-S方程数值解和紊流模型[M].南京：河海大学出版社，1987.