官地水电站尾水调压室与尾水洞连接岔洞的体型优化研究

彭 玮,张小康,鲍海艳

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072;2.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610;3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

1 前 言

对于首部式开发的水电站,其尾水系统的水头损失直接关系到水电站长期运行的经济效益。尾水调压室与尾水洞连接岔洞处的水头损失在整个尾水系统的能量损失中举足轻重,因此研究岔洞的合理体型以及岔洞处的水流特性以降低水头损失对于电站运行有着重要意义。鉴于岔洞处体型、水流流态的复杂性,水力模型试验仍是研究岔洞水流流态和水头损失的重要手段。近些年来,利用数学模型模拟岔洞处的水流特性也有了很大进步,国内一些学者甚至对双向水流岔管进行数值模拟分析取得了一些成果。李玲、李玉梁等对不同体型岔管进行了大量研究,其中包含对抽水蓄能电站渐扩形衔接对称岔管的水流阻力特性的数值模拟及试验研究,并进行了数值模拟与试验研究的对比分析[1-3];刘沛清等对内加强月牙肋三岔管水力特性进行了数值模拟[4];杨校礼等采用比较成熟的三维 k～ε湍流模型和 SIMPLEC算法对带加强肋板的三岔管水流运动进行了物理模型试验和数值模拟[5]。

本文在众人研究成果的基础上应用 CFD技术对官地水电站尾水调压室与尾水洞的连接岔洞进行三维流场计算与分析,即对尾水调压室室内、室外交汇的连接方式比较优劣,并对较优方案的岔洞体型进行优化,以减小水头损失,提高电站的经济指标;再以最终优化的岔洞体型开展水力学模型试验研究,通过恒定流模型试验得出尾水系统的水头损失,并与三维流场计算结果进行对比,验证三维流场计算结果的合理性。

2 尾水调压室与尾水洞连接方式比选

官地水电站采用右岸首部地下厂房布置方式,装机容量 2400MW,安装 4台 600MW水轮发电机组,电站设计水头 115m,单机引用流量 583.6m3/s。引水系统采用单机单管供水,尾水系统采用“两机一室一洞”的布置格局。引水发电系统分为两个水力单元,每个水力单元均由进水口、2条长约 300～400m内径 11.8m的压力管道、2条尾水连接管、1个阻抗长廊式尾水调压室和 1条尾水洞组成。

针对 3、4号机组对应的 2号水力单元,结合本电站枢纽布置特点,尾水调压室与尾水洞的连接方式,初步拟定室内交汇、室外卜形交汇与室外对称交汇三种方案。(1)室内交汇方案:两条尾水连接洞在调压室底部对称交汇,以对称岔形式合为尾水主洞;(2)室外对称交汇方案:两条尾水连接洞以槽形穿过调压室,在调压室后两洞对称交汇为尾水主洞;(3)室外卜形交汇方案:两条尾水连接洞以槽形穿过调压室,在调压室后两洞卜形交汇为尾水主洞。三方案体型示意见图1。

应用三维流场对以上三方案的连接岔洞水头损失进行计算,开展连接方式比选,并对较优方案的岔洞体型进行优化,提出最终优化方案。水力优化的目标是:在电站正常运行情况下,连接岔洞的水头损失尽可能小。

2.1 三种连接方式对比分析

考虑水电站水流流动的特点,不考虑热交换,三维流场基本方程为质量守恒方程和运量守恒方程。结合尾水系统的水流特点,经过比较分析,采用RANS方法中的可行化 k-ε模型(Realizable k-ε Model)来封闭控制方程[6],因为该方法在模拟强逆压力梯度、射流扩散率、分离、回流和旋转上有较高的精度。模型中系数选用 W ilox建议的标准系数[6],使用对数律壁函数来处理 k方程和ε方程的边界条件,在无滑移的壁面上,用考虑壁面粗糙的对数律壁函数来求解剪切速度。采用有限体积法离散基本方程,用 VOF方法模拟自由水面。计算边界条件为:进口处给定流速、水力直径和湍流强度;出口处所有变量扩散通量均为零,采用完全发展流动假设;调压室顶部为自由水面。

2.1.1 计算条件

图1中(a)、(b)、(c)为尾水调压室与尾水洞三种连接方式的体型示意图。为计算水头损失和显示流场,在尾水系统流道上布置了若干断面。室外卜形交汇的各断面编号及断面位置见表1。计算网格以六面体网格为主,在难以划分六面体网格的局部区域,划分四面体网格。

2.1.2 三维流场计算结果对比

将三维流场计算结果通过断面平均概化为一维总流值,对应 3、4号机组正常运行,三种连接方案各个断面的水头(测压管水头、流速水头、总水头)和水头损失(岔洞水头损失及调压室下游总水头损失)计算结果见表2。

图1 尾水调压室与尾水洞连接方式

其中岔洞水头损失分别为断面 p2-1与断面p、断面 p2-2与断面 p的总水头之差;调压室下游总水头损失为断面 top与断面 outlet的总水头之差加上出口损失;由于没有模拟出口水池,其水头损失根据规范得出,取 1倍的流速水头。水头损失系数均以尾水洞中流速水头为基准,测压管水头以调压室底部为基准。

三种连接方案在水平断面 A上的流速分布、流速矢量和压强分布见图2～4。

表1 尾水系统各断面编号及断面位置

表2 三种连接方案各断面水头及水头损失计算结果

从表2可以看出:方案(c)室外卜形交汇的水头损失最小,方案(a)室内交汇的水头损失最大,而方案(b)室外对称交汇的水头损失介于以上两方案之间。

由速度分布图 2、3可见:方案(a)受断面急剧转弯的限制,在岔洞转弯和交汇位置有很大范围流速较低的区域,这导致了主流的有效过流面积束窄、减少,流速变大,断面流速分布不均匀;方案(b)因转弯平和,相对方案(a)有一定的改善;方案(c)在交汇处流速分布比较均匀,主流几乎占整个隧洞断面。

从压强分布图 4可以看出:方案(a)在岔洞转弯和交汇位置有很大范围的相对高压区;方案(b)在交汇位置出现相对高压区的范围要小;两方案均在岔洞交汇处压强变化快,断面分布不均匀。方案(c)压强分布比较平顺均匀,其在交汇和转弯位置的局部相对高压区,是由局部边界的突变所引起的,通过修圆可以得到很好的改善。通过分析和比较流场特征可知:方案(c)室外卜形交汇的流态最平顺,方案(b)室外对称交汇流态次之,方案(a)室内交汇流态最差。

根据三维流场计算,从水流流态特征看,室外交汇方式,不管是室外卜形还是室外对称交汇,其流态均比方案室内交汇好些。从水损看,调压室对应 3、4号两机正常运行时,室外卜形交汇水头损失最小,室外对称交汇次之,室内交汇由于水流对冲,水头损失最大。调压室对应 3号或 4号单机运行时,还是方案(c)室外卜形交汇最小,本文从略。

图2 流速分布

图3 流速矢量

图4 压强分布

从水流流态特征和水头损失看,方案(c)室外卜形交汇相对较优。

2.2 体型优化

方案(c)室外卜形交汇为岔洞在调压室外交汇,支洞与主洞采取小洞接大洞的连接型式,即交汇前,2-1支洞保持原断面不变,2-2支洞的洞高先渐变到与尾水主洞同高度,然后两支洞相交。优化后的体型,平面不变,立面采用等高相接,即两条支洞都先渐变到与尾水主洞同高度,再等高相接交汇。优化后体型示意见图1(c)、(d)。

针对优化后的体型(b)开展三维流场计算。对应 3、4号机正常运行,原体型及优化后体型各个断面的水头(测压管水头、流速水头、总水头)计算结果见表3,水头损失(岔洞水头损失及调压室下游总水头损失)计算结果见表3。两体型在水平断面 A上的流速矢量、流速和压强分布见图5。

从表3可以看出:优化后体型的水头损失比原体型稍小。由压强分布图可以看出,两洞交汇后,原体型相对高压区延伸的范围小,迅速过渡到较低的压力区,而优化体型整体的压力分布更为平缓、均匀,压力过渡也更为平滑。从速度分布图可以看出,两洞交汇后,原体型流速分布并不均匀,高流速区偏向尾水洞靠 2-2支洞一侧,而优化体型中,流速从交汇位置的高流速区逐渐扩散到整个尾水洞断面,流速增长相对较缓和,汇流后流速分布均匀平缓,且最大流速明显比原体型小。

表3 室外卜形交汇两种体型各断面水头及水头损失计算结果

图5 两体型在水平断面 A上的流速矢量、流速和压强分布

岔洞的局部水头损失主要发生在岔洞交汇处,优化体型采用等高相接,其流道断面的大小和形状突变小,流道断面过渡更平缓,水头损失小,流速、压强分布更合理,流态更平顺。因而,从水力学考虑,选择等高相接的优化体型作为最终设计方案。

3 三维流场计算与模型试验水头损失结果对比分析

根据上述最终设计方案开展官地水电站尾水系统水力学模型试验,通过恒定流模型试验得出尾水系统的水头损失,通过与三维流场计算结果对比来验证三维流场计算结果的可靠性。

本次试验的正态模型几何比尺为 1∶50,并针对3、4号机组对应的 2号水力单元进行恒定流模型试验。分别对以下三种工况进行试验与三维流场计算结果对比,三种工况分别为:3号机组正常运行,4号机组停机;4号机组正常运行,3号机组停机;两台机组正常运行。

尾水出口水头损失根据规范计算,ξ=(1-A1/A2)2=0.597,其中 A1为尾水洞面积,A2为出口后的尾水池断面积。由于三维流场计算没有模拟出口水池,其水头损失取 ξ=0.597。

三维流场计算与模型试验水头损失结果见表4。

由表4可以看出,试验结果与三维流场计算结果较吻合,规律性是一致的。从调压室到尾水池的总水头损失对比来看:3号机或 4号机单独运行时,计算结果比试验结果稍大;而 3、4号机组同时运行时,计算结果比试验结果略小。岔洞水头损失/局部水头损失系数也存在相同的规律,且单台机运行时的岔洞水头损失系数稍大一些,即三维流场计算的水头损失与试验方法得到的水头损失结果相差不大,误差较小。

还应该指出的是:两台机同时运行时,按规范计算得到的 3号尾水支洞水头损失系数为 0.36,4号为 0.092,与三维流场计算及试验结果相差很大。其原因是:在有阻抗孔的调压室外采用不对称的卜形岔,两条尾水支洞之间通过调压室阻抗孔存在流量交换,在三维流场的计算和试验中,其岔洞水头损失中均包含了这部分交换的流量进出阻抗孔口增加的水头损失。

经以上对比分析可知,各工况下三维流场计算与模型试验的水头损失较吻合,规律一致。采用三维流场计算尾水(引水)系统水头损失值准确性较高,且还可以正确显示流道中的流态,可对方案进行对比,得出较优的尾水(引水)系统体型,为一些无法进行模型试验的工程提供设计依据。

表4 三维流场计算与模型试验水头损失对比

4 结 论

本文首先利用 CFD技术探讨了官地水电站尾水调压室与尾水洞连接岔洞三种体型在恒定流条件下的水头损失和水体流态特征,得出调压室后卜形交汇方案的水头损失最小,从水力学角度分析该方案较优;其次针对调压室后卜形交汇方案岔洞处支洞与主洞的连接型式进行了对比分析,两条支洞等高相接体型水头损失较小,流态较好;最后以最终优化的岔洞体型,开展电站的尾水系统水力学模型试验。通过恒定流试验及与三维流场计算结果的比较,得出试验结果与三维流场结果较接近,证明了三维流场计算结果的可靠性。本文通过方案对比及体型优化得出较优的尾水系统体型,已作为该电站的实施方案。

[1]李玲,李玉梁,陈嘉范,黄继汤.抽水蓄能电站渐扩形衔接对称岔管水流阻力特性试验研究[J].水力发电学报,2002,21(4):81-85.

[2]李玲,李玉梁,黄继汤,郝忠志.三岔管内水流流动的数值模拟与实验研究[J].水利学报,2001,32(3):49-52.

[3]李玉梁,李玲,陈嘉范,黄继汤.抽水蓄能电站对称岔管的流动阻力特性[J].清华大学学报,2001,43(2):270-272.

[4]刘沛清,屈秋林,等.内加强月牙肋三岔管水力特性数值模拟[J].水利学报,2004,35(3):42-46.

[5]杨校礼,高季章,刘之平.三岔管水流数值模拟研究[J].水利水电技术,2005(1):48-50.

[6]D CW ilcox.Turbulencemodeling for DFD.2nd ed.[M].DCW Industries,La Canada,2000.