第9卷第5期
201i年10月
南水北调与水利科技
South-to-NorthWalerDiversionandWaterScience&Technology
V01.9No.5
oCt.2011
doi:10.3724/SP.J.1201.2011.05095
抽水蓄能电站进/出水口体型优化数值模拟
苏 曼,高学平
(天津大学建筑工程学院,天津300072)
摘要:利用三维紊流数学模型,对某抽水蓄能电站上水库进/出水口原
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
及其优化方案抽水和发电工况进行数值
模拟,分析了进/出水121段的水头损失、进/出水口段的流态和流速分布等。原方案在抽水工况下,存在扩散段及调
整段顶盖板下部产生水流分离区、拦污栅断面有反向流速、各孑L口流速不均匀系数偏大等不利水力学现象。考虑以
上不利因素,需对原方案进行优化。优化方案计算结果表明,在扩散段和防涡梁段之间增加调整段、压低扩散段盖
板扩散角以及增加扩散段长度等
措施
《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施
均能改善水流流态。
关键词:抽水蓄能电站;上水库;侧式进/出水口;抽水工况;水力特性;优化;紊流模型
中图分类号:TVl31文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2011)05-0095-04
3DNumericalSimulationofIntake/OutletofPumpedStoragePlant
SUMan,GAOXue-ping
(SchoolofCivilEngineering,nn面inUniversity,nn巧in300072,China)
Abstract:Theintake/outletatthepumpedstorageplantisanimportantcomponentofconveyancesystem,whichwillaffectthe
runningcapability,safetyandbenefitoftheplant.Thehydrauliccharacteristicsofintake/outletataprimpedstorageplantwas
studiedinthispaper.Usingtheturbulentmodel,therunningconditionsofpumpingandgenerationofthepumpedstorageplant
weresimulatedindifferentintake/outletshapes.TheeffectonwaterheadlOSS,flowpatternandvelocitydistributionwasstud—
ied.Intheformershapescenariooftheintake/outlet,ontherunningconditionofpumpingwater,theoutflowwillseparatefrom
thewallofintake/outletandproducebackflows,andthevelocityisnotevenlydistributed,SOtheformerscenarioshouldbeopti—
mized.Theresultsshowedthatthehydrauliccharacteristicscouldbeimprovedbyadjustingtheintake/outletshape.
Keywords:pumpedstorageplant;upperreservoir;sideintake/outlet;runningconditionsofpumping;hydrauliccharacteristics;
optimization;turbulentmode
抽水蓄能电站进/出水口是抽水蓄能电站的重要组成部
分,如果体型
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
不当。造成电站效率的下降,而且还影响电
站的安全稳定运行。纵观各种文献,很多国内外学者利用数
值模拟进行进/出水口设计研究,高学平等Llo采用Realizable
k-e双方程紊流模型对侧式进/出水口水流运动进行数值模
拟;叶飞[21在物理模型试验研究的基础上,通过数值模拟对
侧式进/出水口水流特性作进一步研究;章军军等[3]应用三
维数值模拟对某抽水蓄能电站原设计体型进行了优化;沙海
飞等[41采用雷诺应力紊流模型对某抽水蓄能电站下库侧式
进/出水口进行了三维紊流数值模拟;高学平等b1针对某抽
水蓄能电站进/出水口有无拦污栅的情况,利用h紊流模型
分析了拦污栅对进/出水口流速分布和水头损失等的影
响‘。引。
本文结合某抽水蓄能电站上水库侧式进/出水口,针对
不同运行工况,数值模拟进/出水口段的水头损失、进/出水
口段的流态和流速分布等。经过对原方案进/出水u的研究,
发现在出流工况下,存在扩散段及调整段顶盖板卜.部产生水
流分离区、拦污栅断面有反向流速、各孔口流速不均匀系数偏
大等不利水力学现象。因此,需要对原方案进行优化。
1研究对象
某抽水蓄能电站枢纽工程由上水库、水道系统、地下厂
房系统、下水库等建筑物组成。上水库正常蓄水位1391m,
死水位1373m。发电工况,单机流量62.43m3/s;抽水工
况,单机流量51m3/s。原方案进/出水口,沿发电水流方向
依次为防涡梁段、扩散段,全长为44m,每个进/出水口分为
4孔,每个孔口尺寸为4.6mX8.5m(宽×高),防涡梁段长
12m,扩散段长32m,如图1(a)。优化方案进/出水口,增设
收稿日期:2011-07—23修回日期:2011-09一01网络出版时间:201I-09—04网络出版地址:http://㈣cnki.nct/kcms/detail/13.1334.TV.20110904.0821.029.html
作者简介:苏曼(1988一),女,山西文水人。硕士,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:smartsuman(勇163.tom
”茁誉薪r.95.
万方数据
第9卷总第56期·南水北调与水利科技·2011年第5期
15m调整段,扩散段由原来的32m增长至37.2m,每个进/
出水口分成3孔,每个孔口K寸为7.1n1×8.15m(宽×高),
如图1(b)。
’’∞l、J】{l’ 。。『r‘tJ、f。
图1某抽水蓄能电站上水库进/出水口方案对比
Fig.1Differentshapesofintake/oulletin
thepumpedstorageplant
2控制方程及其解法
2.1控制方程
连续眭方程:爰一o (1)
Ntil力-ll_:警lu蕊art,—il∞;)P,+蕊13(v甏百)+
』F. (2)
P
一方程:喾+u轰一彘『(升尝)·焘x,1+c---ets,
e方程:害+u轰一彘『(V+尝)。轰]+cI;-2G一
已譬 (4)
式中:一瓦i—n(器+爱)一号^岛,如是Kronecker符
号,当i=j时占。一1,当iT=j时吼一o}G为剪切产生项,表达
式为G—n(面au,+器)拦;P为流体密度;户为压强;r为
时问;U为i方向的速度分量;F,为作用于单位质量水体的
体积力;^一五互j/2是单位质量素动动能;e为紊动动能耗散
率;v为运动黏性系数;Ⅵ为紊流运动黏性系数,它由紊流动
能^及紊流动能耗散率e确定,”一qR_-。‘、c¨ca、吼、
和匹是模型通用常数,分别取为0.09、L44、1.92、1.0和
1.3。
2.2计算方法
VOF(TheVolumeofFluid)法是求解不可压缩、黏性、
瞬变和具有自由面流动的一种数值方法,适用于两种或多种
互不穿透流体间界面的跟踪计算。对每一相引入体积分数
变量。。,通过求解每一控制单元内体积分数值确定相问界
面。设某一控制单元内第g相体积分数为a。(o≤嘶≤1)。
则当曲一O时-控制单元内无第q相流体;“一l时,控制单
元内充满第q相流体;o<蛳<1时,控制单冗包含相界面。
在每个控制单元内各相体积分数之和等于1,即:
∑“一1 (5)
%应满足以下方程:
监Ot+u,监OX,一0 (6)
·96· 试验研究
计算中所有控制单儿表面体积通量的计算采用隐式差
分格式,即:
生—_当v+∑(U!『1dW)一o (7)uf ,
式中:”}1为当前时间步指示因子;”为前一时问步指示因
子;嘞,为单元表面第q相体积分数计算值;v为控制单元体
积;Ur为控制单元表画体积通量。
模型求解采用有限体积法,二阶迎风格式.压力一速度
耦合采用压力校正法,离散方程的求解采用GMRES法,时
间差分采用全隐格式。
3数值模拟结果及分析
3.1计算区域及边界条件
数值模拟范围包括部分j二水库、部分引水隧洞、电站进/
出水口。采用六面体网格对计算区域进行划分。库区网格
边长0.80--1.00m;进/出水口网格边长035~o.^Om。抽
水工况时,水体由隧洞段流向水库。人流边界给定隧洞流
速;人流边界压强按静水压强给出。发电工况时,水体由水
库流向隧洞。人流边界压强按静水压强给出;出流边界给定
出流流速。固壁边界采用尤滑移条件;液面为自由表面。上
水库进/出水VI计算区域如图2所爪。
图!上水库进/出水口计算区域
ltg‘ LaloulaL1”gre,ionottileupperreservolrintare/otltlet
3.2原方案计算结果及分析
原方案,扩散段32m,盖板扩散角482。,防涡梁段12
1"11,每个进/til水口设3个分流墩,将进/出水口分成4孔,
分流墩距离1 3m,每个孔口尺寸为46m×8.5m(宽×
高)。
3.2.1原方案水头损失
表1为原方案在死水位抽水和发电工况下进/出水口水
头损失及水头损失系数。这里所指的进/出水口的水头损失
是指渐变段和隧洞段交界面至库水位问的水头损失。
表l原方案进/出水口水头损失及水头损失系数
Table1 Waterheadlossoftbcoriginalintake/outletshape
3.2.2原方案进/出水口流速分布
流速数值的提取是在每个孔口(例如,1号引水洞对应的
l号进/出水口,四个孔口分别标记为l1,12,13,14)断面
和拦污栅断面上沿垂线进行的。同一孔口提取r左、中、右3
条垂线上的流速(例如,1-3孔广I对应的3条垂线分别标记为
1 3左、卜3中、13右),详见图3。
万方数据
苏曼等·抽水蓄能电站进/出水口体型优化数值模拟
图,流速数值提取的平面布置
Fig3 Fhelayoutofvelocityvalueextraction
表2给出了原方案在死水位下双机抽水进/出水口各孔
口流速分布。计算结果表明,各孔口流速不均匀系数均大于
2,流速分布不均,拦污栅上部有反向流速。这里的流速不均
匀系数是指过栅最大流速与过栅平均流速的比值。
表2进/出水口各孔口流速分布
Table2 Ve[ocitydistributionoftheoriginalintake/outletshape
孔u
号
孔口
断面
拦污栅各孔口平拦污栅平均拦污栅最大流速不
均流速/(m·91)流速/(m·s1)流速/(m·f1)均匀系数
3.2.3原方案进/出水口流态
图4为原方案在死水位下双机抽水时原方案流态。主
流靠近进/出水口底部,扩散段顶盖板下部出现大范围水流
分离区,约占进/出水口高度的1/2。
匿蚕一~一1 ⋯一—蔼
图 原方案进/出水口流态(双机抽水)
Fig.4Flowpatternoftheorigina]inlake/oudetshape
(pumpingwaterbydoublemachines)
3.3优化方案计算结果及分析
鉴于原方案在出流工况下,存在流速分布不均、拦污栅
断面出现反向流速等不利水力现象,因此需对原方案体型进
行优化。优化方案为:在防涡梁段与扩散段之间增设15m
调整段.扩散段由原来的32m增长至37.2m,垂向扩散角由
原来的482。压低至3。,每个进/出水口分成3孔,两分流墩
距离1.9m,每个孔口尺寸为7.1mX8.15m(宽×高)。
3.3.1优化方案水头损失
表3为优化方案在死水位抽水和发电工况下进/出水口
水头损失及水头损失系数。优化方案较原方案,水头损失及
水头损失系数均减小。
表3优化方案与原方案进/出水口水头损失
及水头损失系数对比
Table3 Waterheadlossofdifferentintake/outletshapes
研究对象 单机抽水 双机抽水 单机发电 双机发电
优化方案n039m/n268n156州n268吐043ra/a197n169m/a194
原方案n044m/a302旺175州n300n046m/n211n184m/a211
3.3.2优化方案进/出水口流速分布
流速数值的提取方法同原方案。表4给出了优化方案
在死水位下双机抽水进/出水口各孔口流速分布。计算结果
表明,各孔口流速不均匀系数均小于2,流速分布较均匀,拦
污栅上部无反向流速。
表4优化方案进\出水口各孔口流速分布
Table4 Velocitydistributionoftheoptimalintake/omletshape
3.3.3优化方案进/出水13流态
图5为优化方案在死水位下双机抽水时流态。主流靠
近进/出水口底部,扩散段顶盖板下部出现水流分离区,其范
围自靠近调整段的防涡梁起,涉及约1/4的扩散段。优化方案
较原方案,盖板下部水流分离区范围明显缩小冰流流态良好。
图5优化方案进/出水口流态(双机抽水
5 Flowpatternoftheoptimalinla1|ke/outlel
(I)umph_tgwat"bydoublcmachlnes】
4结论
针对某抽水蓄能电站上水库进/出水口原方案和优化方
案进行了数值模拟。在抽水工况下,原方案进/出水El拦污
栅断面上部出现反向流速,流速不均匀系数偏大;优化方案
:鬻篓碧隧E·97·
万方数据
第9卷总第56期·南水北调与水利科技·2011年第5期
进/出水口拦污栅断面未出现反向流速,流速分布较均匀。
因此,可以得出以下结论。
①在扩散段和防涡梁段之间增加调整段可以使水流流
态得到及时调整,能有效改善出流流态。
②适当增加扩散段长度可改善水流出流条件。
③扩散段盖板扩散角对水流在垂向的流态分布影响较
大,扩散角越小,流速分布越均匀。
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(上接第91页)
原因是由于填筑材料层厚、级配、密度以及基岩自身的裂隙
及节理的发育不同造成的差异。
7结语
从本次试验成果来看,变形模量的试验结果均大于60
MPa。
此次张河湾抽水蓄能电站上水库5号沟坝体填筑垫层
料变形模量试验成果在一定的情况下可以反映坝体水平填
筑垫层料的变形模量值,从而为工程的稳定和复核计算提供
一定的科学依据。但由于此次试验数量有限,而且变形模量
试验成果在一定程度上受填筑材料的性质以及基岩的性质
影响,因此试验成果不能全面的反映不同部位的变形模量
值,有待于在今后的试验过程中完善和补充。
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万方数据
抽水蓄能电站进/出水口体型优化数值模拟
作者: 苏曼, 高学平, SU Man, GAO Xue-ping
作者单位: 天津大学建筑工程学院,天津,300072
刊名: 南水北调与水利科技
英文刊名: South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology
年,卷(期): 2011,9(5)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_nsbdyslkj201105022.aspx