某电站库区流场的三维数值模拟

叶 茂,黄武林,吕海艳

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

随着一批中大型电站的陆续兴建,水库的规模不断扩大,库区过水建筑物的数量也不断增多,如导流洞、泄洪洞、溢洪道、放空洞和引水洞进口,部分工程甚至包括鱼道出口。各建筑物进口入流是否平顺,相互之间是否存在影响,是需要研究的一个课题。一直以来,模型试验是主要的研究手段,近年来,部分学者尝试引入数值模拟作为试验的补充,以求得到流场的全域特性。魏根群等[1]采用二维水深平均方程组作为控制方程,运用有限体积法对水库非恒定流场进行了计算;管仪庆等[2]采用二维数学模型对闲林水库的流场进行了研究,得出了库区的水动力特性;马方凯等[3]采用三维不可压 N-S方程对三峡水库近坝区进行了计算,得出了坝前水域的三维流场及温度场。

库区流场的三维数值模拟具有计算区域大、天然地形建体复杂、网格划分难度高的特点,目前研究成果较少。本文所研究的电站库区较为宽阔,在 1∶10的物理模型上难以模拟整个坝前的水流流态,因此引入数值模拟作为模型试验的补充,以使流场的数据更加完善。

2 工程概况

某电站枢纽由黏土心墙土石坝、引水建筑物、表孔溢洪道和底孔泄洪洞、厂区建筑物组成,引水及泄洪建筑物布置在河床右岸,厂区建筑物布置于右岸坝后。根据鱼类资源状况及电站建设对其产生的影响,该工程需修建半洄游性鱼类鱼道,过鱼时间为每年的 3月下旬至 7月,此时水库的运行水位为4312.5～4310.0m,消落深度为 2.5m。鱼道采用两个出口,均布置在库区右岸。1号出口在库水位4310.0～4311.3m时运行,闸室布置于坝轴线上游约 76m,底板高程为 4309.5m;2号出口在库水位4311.3～4312.5m时运行,闸室布置于坝轴线上游约 115m,底板高程为 4310.8m。由于 1号出口距电站进口仅 30m,故本文重点研究电站运行对 1号出口流场的影响。

3 数值模拟

数值模拟采用原型数据,以 FLUENT软件作为模拟工具。计算选用 Standard k-ε紊流模型,固壁边界处理采用壁面函数法,偏微分方程离散采用有限体积法,动量、紊动能和紊动耗散率插值采用二阶迎风格式。

数值模拟主要对水位 4311.3m时库区流场进行计算,其中电站进口的流量包括 8.55m3/s(1台机)、17.10m3/s(2台机)和 25.65m3/s(3台机)三种情况。

3.1 计算区域及边界条件

计算区域包括库区地形、电站进口和鱼道出口,如图 1所示。图中 x坐标与坝轴线垂直,以坝轴线右岸控制点作为 xy平面的坐标原点,z坐标代表高程。库区地形总长约 260.0m,宽度为 340.0～370.0m,高程为 4288.0～4312.5m。

图1 计算区域及网格划分

天然地形的建体是建模的难点之一,如果在GAMBIT中采用逐一输点、点连成线、线形成面、面构成体的方法,将是一项相当繁琐的工作,而且容易出错。为了提高建体的效率和准确性,先采用 AUTOLISP语言对 AUTOCAD进行二次开发,从电子地形图中读出断面资料,并生成数据文件,然后采用FORTRAN语言对断面数据进行编程处理,产生与GAMBIT所对应的 JOURNAUL语句,读入 GAMBIT,即可完成天然地形的建体工作。

边界条件设置如下:(1)上游来流断面采用速度进口边界,以保证入流量为一恒定值;(2)电站进口和鱼道出口为出流断面,采用速度出口边界,以保证出流恒定;(3)库区地形和鱼道出口引渠均采用固壁边界。

3.2 网格划分

网格划分采用混合网格,包括结构化和非结构化两种类型。非结构化网格虽然易于构造,但计算的稳定性不如结构化网格;在网格节点间距相同的情况下,网格数量远多于结构化网格,计算时间也较长;所以在划分网格时应优先选用结构化网格。除鱼道出口引渠与天然地形衔接处采用非结构化网格外,其余区域均为结构化网格。网格划分如图 1所示。由于受计算机性能的限制,网格单元总数应控制在一定数量,因此采用重点部位加密、一般部位放宽的原则进行网格划分。电站进口至鱼道出口区域是数值模拟较为关心之处,网格较密,节点间距为2.0m;其余地方网格较稀,节点间距为 4.0m。计算区域网格单元总数约 10万个。

3.3 结果分析

本文将计算结果与试验数据进行了对比分析。试验采用 1∶10的正态模型,由于库区的模型流速为毫米量级,常规的测速仪器无法满足精度要求,故采用挪威生产的小威龙测速仪(VECTRINO VELOCIMETER)。库水位 4311.3m及电站进口过流17.10m3/s时水面和水下 3.3m两个平面的流场分布见图2和图 3。

由图 2、3可见,计算流场与模型试验实测结果较为吻合。电站进口和鱼道出口联合过流时,库区流场近似双点汇分布,电站进口和鱼道出口外流速迅速衰减。计算表明,电站进口断面在两个平面上的流速分别为 0.08m/s和 0.18m/s,半径 7m范围以外流速已降至 0.05m/s;鱼道 1号出口距电站进口约 30m,流速仅为 0.01m/s～0.02m/s。实测流速普遍高于计算值,1号出口流速为 0.03m/s～0.04m/s,这是因为试验模型只包括一半宽度的库区范围,过水面积减小使流速偏大。电站进口断面的流速分别为 0.06m/s和 0.08m/s,水下 3.3m平面明显小于计算值,这是因为试验时在电站进口以后采用局开方式控制流量,主流区位于进口底板附近,而计算时采用全开方式,故试验得出的进口底板以上的流速偏小。

图2 电站进口过流 17.10m3/s时水面流场对比

图3 电站进口过流 17.10m 3/s时水下 3.3m平面流场对比

电站进口过流 25.65m3/s时水面和电站进口中心高程两个平面的流场分布见图4。

由计算结果可知,即使 3台机组全部运行,电站进口断面在两个平面上的流速分别为 0.11m/s和0.74m/s,半径 10m范围以外的流速已降至 0.05 m/s,鱼道出口流速仅为 0.01～0.03m/s。可见,电站进口中心前的流速小于 0.8m/s,鱼类被电站进口吸入的可能性较小,电站运行对鱼道出口的流场基本没有影响。

图4 电站进口过流25.65m3/s时平面流场

4 结 语

本文采用 FLUENT软件对库区三维流场进行模拟,其中天然地形建体采用 AUTOLISP和 FORTRAN软件编程处理,网格划分采用重点部位加密、一般部位放宽的原则生成以结构化网格为主、非结构化网格为辅的混合网格。数值模拟重点研究电站运行对鱼道 1号出口流场的影响,计算结果与模型试验数据吻合较好,表明对库区流场进行三维数值模拟是可行的,同时也说明物理模型截取的范围是合适的。数值模拟具有成本低、耗时少和无仪器干扰的优点,可作为模型试验的有力补充,使流场数据更加完善。

[1]魏根群,陈壁宏,宿晓辉.反调节水库非恒定流数值模拟[J].水科学进展,2001,12(4):491-498.

[2]管仪庆,张丹蓉,陈丕翔,等.闲林水库水动力特性模拟研究[J].水利学报,2007(10):293-298.

[3]马方凯,江春波,李凯.三峡水库近坝区三维流场及温度场的数值模拟[J].水利水电科技进展,2007,27(3):17-20.