尾导结合型水电站通气孔作用的CFD分析与优化

张宗溥，马连军

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)



尾导结合型水电站通气孔作用的CFD分析与优化

张宗溥，马连军

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

为减少对山体围岩开挖，西南地区建设的水电站常将导流洞改建成尾水洞，因而在较低的下游尾水位时，水力过渡过程中导流洞内会出现明满流交替现象。本文采用CFD软件模拟某尾导结合型水电站的尾水系统，将得到的过渡过程中调压室内水位波动曲线与水力模型试验成果比较，具有较好的一致性，利用调试后的模型进一步探究了尾水洞出口带库区和不带库区对电站恒定流和非恒定流数值计算结果的影响和通气孔作用的分析及位置优化。

明满流 CFD 通气孔 库区 过渡过程

1 引言

我国水利事业经过几十年如火如荼的发展后，现阶段已步入攻坚区，未开发的水能资源主要集中在西南山区。目前在建或已建的西南地区数十座大型水电站均采用首部式地下厂房方案[1]，如二滩、溪洛渡等水电站。此类电站具有较长的尾水隧洞，工程地质构造条件复杂，不宜大规模地开挖山体，通常为减少对山体围岩破坏，常将前期的导流洞改建成发电尾水洞。其结果为，尾水洞出口底部高程抬高，在较低的下游尾水位时，水力过渡过程中导流洞内会出现明满流交替现象。为减缓明满流的危害，工程中常在导流洞洞顶设置通气孔。本文利用CFD软件对某尾导结合型水电站的尾水系统进行数值模拟，将得到的过渡过程中调压室内水位波动曲线与水力模型试验成果对比，确定CFD软件的计算精度，并对不同位置、不同直径通气孔的作用做进一步分析。

2 计算模型

图1为三维数值模拟的计算模型，计算区域从机组的尾水管末端至下游库区。计算边界条件为：两进口为流速进口，恒定工况下流速大小为断面的平均流速，非恒定工况下流速从初始流速12s内线性减小至0；库区的补、排水口设定为压力进口和出口，利用open channel模型设置下游尾水位；尾水调压室、闸门井、通气孔和库区顶部设定为大气压。数学模型为：采用两方程湍流模型和VOF多相流模型，近壁面区域采用标准壁面函数处理，采用有限体积法对控制方程进行离散，其中压力-速度耦合采用PISO算法[2]。

图1 三维数值模拟的计算模型

3 边界条件设定

3.1 出口边界条件选择

数学模型中库区网格数量巨大，极大地影响着计算的速度，且库区中水体庞大，水位一般波动较小，因而库区是否可由一个固定的压力边界条件所替代是一个值得探究的问题。本文以下游尾水位为425.70m，机组引用流量为547.2m3/s，同一水力单元两台机组同时甩负荷的典型工况为例，对比恒定运行工况下尾水洞出口的压力分布、速度分布及流线分布和非恒定工况下调压室内水位波动的数值计算结果，说明库区对电站尾水系统数值模拟精度的影响。出口1是指从尾水管末端到尾水洞末端，不连接库区；出口2是指尾水洞末端连接库区，如图1。计算工况1：选取下游尾水位为425.70m，机组引用流量为547.2m3/s，同一水力单元两台机组同时甩负荷的典型工况，非恒定工况下两种出口边界条件下尾水调压室内水位波动过程曲线见图2，恒定工况下两种出口边界条件下的数值模拟结果见表1。

表1 恒定工况下尾水洞出口截面的流态

图2 工况1机组甩负荷过程中尾水调压室内水位的波动过程曲线

图2反映出：采用边界条件出口2的数值模拟结果与模型试验数据，不论是周期还是振幅均具有较好的一致性，而采用边界条件出口1的数值模拟结果则与模型试验值有较大的偏差。原因是采用边界条件出口1时，尾水洞出口处的水位恒定不变，不能很好地反映机组甩负荷过程中尾水洞出口处水位的波动及反向水流从库区回补尾水隧洞的全过程。表1反映出：两种出口边界条件下尾水洞出口截面上的压力分布和流速分布相差不大；边界条件出口1尾水洞末端的流线呈平行分布，而边界条件出口2尾水洞末端的流线略微束窄。总体而言：恒定工况下采用两种出口边界条件的数值模拟结果相差不大，但采用边界条件出口1可节省大量计算时间。

3.2 数学模型选择

工况3：选取下游尾水位为596.0m，1#、2#机组以额定流量547.8m3/s运行，且同一水力单元两台机组同时甩负荷的典型工况，甩负荷过程中调压室内水位波动的数值模拟结果见图3，调压室涌浪水位对比见表2。

图3 工况3机组甩负荷过程中尾水调压室内水位的波动过程曲线

表2 机组甩负荷过程中调压室涌浪水位对比

表2给出了工况3下尾水调压室内水位波动的模型试验值和三种湍流模型的数值模拟结果，对比结果表明：RNGk-ε湍流模型模拟的调压室涌浪与模型试验值有较好的一致性，极值相对误差不超过5%，发生时刻误差不超过4s，Realizablek-ε湍流模型的结果精度与RNGk-ε湍流模型相当，不过周期从第二个波谷起略有延迟；而采用Standardk-ε湍流模型模拟的调压室涌浪误差较大，周期从第一个波峰起提前许多，说明Standardk-ε湍流模型不适宜模拟水流进出调压室的强紊流特性。因此可以利用RNGk-ε湍流模型对尾水系统中的明满流特性做进一步研究。

4 通气孔位置对减缓明满流作用的影响

工程中常采用设置通气孔的方案来消除或减缓明满流的危害，但通气孔的数量和位置一般是通过水力模型试验获取。本文结合通气孔的四种设置方案，采用数值模拟来说明通气孔的作用以及不同位置的通气孔对减缓明满流作用的影响。通气孔设置方案一：只在尾导衔接段中部设置1号通气孔；方案二：只在尾导结合点处设置2号通气孔；方案三：只在2号通气孔下游156m处设置3号通气孔；方案四：尾水洞段同时设置2号和3号通气孔。四种通气孔设置方案及洞顶监测点的位置见图4，三个监测点的压力变化曲线见图5～图7。

图4 三种通气孔设置方案及三个监测点的位置

图5 1号监测点的压力变化曲线

图6 2号监测点的压力变化曲线

图7 3号监测点的压力变化曲线

从图5～图7中可以清晰地看出：尾水洞无通气孔方案和方案一下3个监测点的压力变化趋势基本一致，随着机组甩负荷，3个监测点的压力值开始下降，直至出现负压，且两种方案下的最大负压值和负压持续时间相同，随后尾水洞出口段水流反向流动，3个监测点的压力值均出现了剧烈的波动，无通气孔方案下的最大正压值比方案一大，且两种方案下最大值的持续时间均很短，究其原因可能是1号通气孔位于尾导衔接段中部，高程始终低于下游尾水位，机组甩负荷过程中，通气孔并不进气，故方案一下的最大负压值并未减小，持续时间也未缩短，且在压力剧烈波动的过程中，方案一由于通气孔内的自由液面对尾水洞内水面波动有一定的缓冲作用，因而方案一的最大正压值较无通气孔时小；方案二与方案三下3个监测点的压力变化趋势也基本一致，不过方案三下2号和3号监测点负压开始回升的时刻较方案二提前，洞顶压力维持在大气压附近的持续时间也较长，并且3个监测点的最大正压值也较方案二低，因此3号通气孔的进气排气效果要优于2号通气孔；方案四与方案二、三相比，最大负压值及负压持续的时间相差不大，说明通气孔并非多多益善；方案二、三和四下3个监测点的最大负压值与无通气孔方案比较明显减小，说明尾水洞内出现明满流的过渡过程中设置通气孔能有效抑制负压值的急剧降低，减缓明满流交替对尾水洞衬砌结构的破坏。

5 结论

(1)计算模型带库区和不带库区对恒定工况下尾水系统的数值模拟结果影响不大，选用无库区的边界条件可节省大量计算时间，而对过渡过程中尾水系统的数值模拟结果影响较大，且含库区的边界条件更接近真实的流场；

(2)CFD软件中RNGk-ε湍流模型可以较好地模拟过渡过程中水流进出调压室的强紊流特性，因此可利用CFD软件对此类工程的调压室顶板和底板高程进行校核；

(3)尾水洞内出现明满流的过渡过程中设置通气孔能有效抑制负压值的急剧降低，减缓明满流交替对尾水洞衬砌结构的破坏，但通气孔的数量也并非多多益善。

〔1〕程永光，刘晓峰，杨建东.大型尾水调压室底部交汇型式CFD分析与优化[J].水力发电学报，2007(05)：68-74.

〔2〕杨建东，李 玲，周俊杰等.尾导结合的尾水系统水流中断的机理分析[J].水动力学研究与进展A辑，2012(04)：394-400.

TV135∶TV132

A

2095-1809(2017)04-0004-04

张宗溥(1988-)，男，河南平顶山人，主要从事水工结构、工程水力学方面的研究。■